Đánh giá khả năng hạn chế ăn mòn thép CT3 trong môi trường axit loãng của hỗn hợp caffeine thiên nhiên với ion zn2+hoặc ion mn2+ bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

TRẦN THỊ PHƯƠNG NGA

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẠN CHẾ ĂN MÒN THÉP CT3
TRONG MƠI TRƯỜNG AXIT LỖNG CỦA HỖN HỢP CAFFEINE
THIÊN NHIÊN VỚI ION Zn2+ HOẶC ION Mn2+ BẰNG PHƯƠNG
PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

TRẦN THỊ PHƯƠNG NGA

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẠN CHẾ ĂN MÒN THÉP CT3
TRONG MƠI TRƯỜNG AXIT LỖNG CỦA HỖN HỢP CAFFEINE
THIÊN NHIÊN VỚI ION Zn2+ HOẶC ION Mn2+ BẰNG PHƯƠNG
PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUN TỬ

Chun ngành: Hóa phân tích
Mã số: 60440118

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trương Thị Thảo

THÁI NGUYÊN - 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các tài liệu, kết quả
trong luận văn là trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào.
Tác giả

Trần Thị Phương Nga

a
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




LỜI CẢM ƠN
Tơi xin tỏ lịng cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Trương Thị Thảo đã tận
tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu để tơi có thể hồn thành
được luận văn này.
Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến các thầy, cơ giáo, cán bộ Khoa Hóa
học - trường Đại học Khoa học Thái Nguyên đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong
suốt thời gian học tập và nghiên cứu khoa học tại trường.

Xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã ln quan tâm,
động viên, giúp đỡ tạo mọi điều kiện để tơi hồn thiện luận văn này
Trong quá trình thực hiện luận văn do cịn hạn chế về mặt thời gian cũng như
trình độ chun mơn nên khơng tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những
ý kiến quý báu của các thầy cô, các nhà khoa học, bạn bè và đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày …. tháng 10 năm 2016
Tác giả

Trần Thị Phương Nga

b
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................... a
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................. b
MỤC LỤC .................................................................................................... c
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ...................................................... f
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ g
DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................. j
MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 3
1.1. Tổng quan về ăn mòn kim loại ............................................................... 3
1.1.1. Định nghĩa ăn mòn kim loại ................................................................ 3
1.1.2. Phân loại ăn mòn ................................................................................ 3
1.2. Khái quát về thép ................................................................................... 6

1.2.1. Khái niệm về thép ............................................................................... 6
1.2.2. Phân loại thép theo thành phần hóa học .............................................. 6
1.2.3. Ứng dụng của thép .............................................................................. 6
1.2.4. Sự ăn mòn thép ................................................................................... 7
1.2.5. Sự ăn mòn thép hợp kim thấp ............................................................. 8
1.3. Sử dụng các chất ức chế bảo vệ chống ăn mòn kim loại ......................... 8
1.3.1. Giới thiệu về chất ức chế chống ăn mòn kim loại ................................ 8
1.3.2. Cơ chế hoạt động của chất ức chế ăn mòn kim loại ............................. 9
1.3.3. Phân loại chất ức chế kim loại .......................................................... 10
1.3.4. Chất ức chế dùng trong khảo sát ....................................................... 11
1.4. Các phương pháp nghiên cứu ăn mòn .................................................. 14
1.4.1. Phương pháp trọng lượng.................................................................. 14
1.4.2. Phương pháp thể tích ........................................................................ 15
1.4.3. Phương pháp điện hóa....................................................................... 15
1.4.4. Phương pháp phân tích ..................................................................... 18
1.5. Các phương pháp phân tích xác định sắt .............................................. 19
c
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1.5.1. Phân tích khối lượng ......................................................................... 19
1.5.2. Phân tích thể tích .............................................................................. 19
1.5.3. Các phương pháp điện hóa ................................................................ 20
1.5.4. Phương pháp trắc quang.................................................................... 21
1.5.5. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ................................................. 22
1.6. Giới thiệu phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ................................... 22
1.6.1. Nguyên tắc của phép đo AAS ........................................................... 23
1.6.2. Trang thiết bị của phép đo AAS ........................................................ 24

1.6.3. Ưu nhược điểm của phương pháp ..................................................... 24
Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ...... 26
2.1. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 26
2.1.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp ...................................................... 26
2.1.2. Phương pháp đường chuẩn ................................................................ 26
2.2. Hóa chất - dụng cụ - thiết bị................................................................. 27
2.2.1. Hóa chất ........................................................................................... 27
2.2.2. Dụng cụ ............................................................................................ 28
2.2.3. Thiết bị ............................................................................................. 28
2.3. Thực nghiệm ........................................................................................ 28
2.3.1. Khảo sát các yếu tố trong xác định sắt bằng phương pháp phổ hấp thụ
nguyên tử ................................................................................................... 28
2.3.2. Đánh giá độ chính xác của phương pháp ........................................... 34
2.3.3. Thực nghiệm ăn mòn và phân tích xác định tốc độ ăn mịn ............... 35
2.3.4. Định lượng Fe trong các dung dịch nghiên cứu ăn mòn .................... 37
2.4. Nội dung nghiên cứu ........................................................................... 38
2.4.1. Khảo sát các điều kiện thực nghiệm xác định Fe bằng phương pháp phổ
hấp thụ nguyên tử dùng ngọn lửa ................................................................ 38
d
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2.4.2. Khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 trong môi trường axit HCl 0,001N
của các chất ức chế caffeine và các ion kim loại Mn2+, Zn2+. ...................... 38
2.4.3. Khả năng ức chế ăn mịn thép CT3 trong mơi trường axit HCl 0,001N
khi kết hợp chất ức chế độ lập caffeine với các ion kim loại Mn 2+, Zn2+. .... 38
Chương 3. KẾT QUẢ THẢO LUẬN ....................................................... 39
3.1. Khảo sát các điều kiện thực nghiệm xác định hàm lượng kim loại sắt bằng

phương pháp F - AAS ................................................................................. 39
3.1.1. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo ......................... 39
3.1.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến ăn mòn kim loại ........ 47
3.2. Kết quả thực nghiệm ............................................................................ 49
3.2.1. So sánh mức độ tương quan giữa phương pháp phân tích và các phương
pháp khác trong nghiên cứu ăn mòn thép .................................................... 49
3.2.2. Khả năng ức chế ăn mịn thép CT3 trong các mơi trường HCl 0,001N
của các chất ức chế Caffeine và ion kim loại Mn2+, Zn2+ ............................ 53
3.2.3. Khả năng ức chế ăn mịn thép CT3 trong mơi trường axit HCl 10 -3N khi
kết hợp caffeine với các ion kim loại Zn2+ và Mn2+ .................................... 56
KẾT LUẬN ............................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 62

e
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
F - AAS

Phép đo quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa

AAS

Phép đo quang phổ hấp thụ nguyên tử.

Abs

Độ hấp thụ

DPP

Cực phổ xung vi phân

SQWP

Cực phổ sóng vng

HCL

Đèn catot rỗng

EDL

Đèn phóng khơng điện cực

LOD

Giới hạn phát hiện

LOQ

Giới hạn định lượng.

C

Nồng độ chất ức chế (g/l)

H (%)

Hiệu quả bảo vệ.

R (Ω)

Điện trở phân cực.

SEM

Phương pháp hiển vi điện tử quét.

𝜂

Quá thế.

T

Thời gian (phút).

f
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1:

Thể tích cation cản trở thêm vào các mẫu để nghiên cứu ảnh
hưởng của các cation lạ trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử
xác định sắt ........................................................................... 31

Bảng 2.2:

Bảng pha các dung dịch chuẩn sắt khảo sát tuyến tính ........ 32

Bảng 2.3:

Bảng các cơng thức tính xác định giới hạn phát hiện, giới hạn
định lượng và đánh giá độ chính xác của phép đo ............... 34

Bảng 3.1:

Độ hấp thụ của dung dịch sắt chuẩn 1 ppm trong dung dịch
nền HCl 0,001N và caffeine 1,0g/l khi khảo sát với các bước
sóng hấp thụ khác nhau ........................................................ 39

Bảng 3.2:

Độ hấp thụ của dung dịch sắt chuẩn 1 ppm trong dung dịch
nền HCl 0,001N và caffeine 1g/l khi đo với cường độ dòng
đèn khác nhau ....................................................................... 40

Bảng 3.3:

Độ hấp thụ của dung dịch sắt chuẩn 1 ppm trong dung dịch
nền HCl 0,001N và caffeine 1g/l khi đo với các lưu lượng khí
axetylen khác nhau................................................................. 41

Bảng 3.4:

Độ hấp thụ của dung dịch sắt chuẩn 1 ppm trong dung dịch
nền HCl 0,001N và caffeine 1g/l khi đo với các khe đo khác
nhau của máy phổ hấp thụ nguyên tử................................... 42

Bảng 3.5:

Độ hấp thụ của dung dịch sắt chuẩn 1 ppm trong dung dịch
nền HCl 0,001N và caffeine 1g/l khi đo với chiều cao của đèn
nguyên tử hóa mẫu khác nhau .............................................. 43

Bảng 3.6:

Độ hấp thụ và nồng độ sắt của các dung dịch sắt chuẩn nồng
độ 1 ppm khi trong dung dịch có và khơng có mặt các ion lạ ở
các nồng độ khác nhau ......................................................... 44
g
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Bảng 3.7:

Độ hấp thụ và nồng độ sắt thu được khi đo lặp lại dung dịch
sắt chuẩn 0,1ppm trong dung dịch nền HCl 0,001N và caffeine
1g/l ........................................................................................ 45

Bảng 3.8:

Kết quả đo nồng độ sắt trong dung dịch sắt chuẩn 0,1 ppm khi
thêm các dung dịch thêm chuẩn ở nồng độ khác nhau ........ 47

Bảng 3.9:

Ảnh hưởng của thời gian tới tốc độ ăn mòn thép ................. 48

Bảng 3.10: Tổng kết các điều kiện đo phổ F - AAS của sắt................... 49
Bảng 3.11: Khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 ngâm trong dung dịch HCl
1M một ngày và hiệu quả bảo vệ ăn mòn của caffeine bằng
phương pháp trọng lượng ..................................................... 50
Bảng 3.12: Kết quả tốc độ ăn mòn của thép CT3 trong dung dịch HCl 1M
và hiệu quả bảo vệ ăn mòn của caffeine bằng phương pháp
đường cong phân cực ........................................................... 51
Bảng 3.13: Hiệu quả bảo vệ ăn mòn thép CT3 trong môi trường HCl 1M
của chất ức chế caffeine ở các nồng độ khác nhau bằng phương
pháp phân tích ...................................................................... 52
Bảng 3.14: Hiệu quả ức chế ăn mịn thép CT3 trong mơi trường HCl
0,001N khi có mặt độc lập các chất ức chế caffeine Mn2+ và
Zn2+ ở các nồng độ khác nhau .............................................. 53
Bảng 3.15: Nồng độ Fe trong dung dịch nghiên cứu và hiệu quả ức chế ăn
mịn thép CT3 trong mơi trường HCl 0,001N khi có mặt hỗn
hợp chất ức chế Caffeine 3g/l và Mn2+ ở các nồng độ khác
nhau. ..................................................................................... 56

h
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

i
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Đường phân cực i - f(E) Nhánh anot 1,2. Nhánh catot 1’ , 2’ . 17
Hình 1.2: Đường cong phân cực dạng log của kim loại trong môi trường
axit (dùng trong phương pháp ngoại suy tafel) ...................... 17
Hình 1.3: Áp dụng đường tuyến tính dịng thế ....................................... 18
Hình 1.4: Điện trở phân cực tính từ thực nghiệm ................................... 18
Hình 2.1: Đồ thị phương pháp đường chuẩn .......................................... 27
Hình 2.2: Mẫu làm việc........................................................................... 35
Hình 2.2: Mẫu ngâm trong dung dịch nghiên cứu .................................. 36
Hình 3.1: Đường chuẩn của sắt ............................................................... 45
Hình 3.2: Ảnh hưởng của thời gian đến nồng độ của dung dịch ............ 48
Hình 3.3: Ảnh hưởng của thời gian đến vận tốc ăn mòn của dung dịch 48
Hình 3.4: SEM hiển vi của thép CT3 khi khơng có và có chất ức chế
caffeine 3g/l ............................................................................ 51
Hình 3.5: Hiệu suất bảo vệ thép CT3 trong mơi trường HCl 0,001N khi có
mặt các chất ức chế độc lập Caffeine, Mn2+, Zn2+ ở các nồng độ
khác nhau ................................................................................ 54
Hình 3.6: Hiệu suất bảo vệ ăn mịn thép CT3 trong môi trường HCl
0,001N khi kết hợp chất ức chế caffeine 3,00g/l với các ion kim
loại Mn2+ và Zn2+..................................................................... 57

j
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




MỞ ĐẦU
Ăn mòn kim loại là một trong những vấn đề luôn được các nhà khoa học, các nhà
sản xuất và các nhà quản lý kinh tế quan tâm do những tác hại hết sức to lớn của nó. Hằng
năm khối lượng thép bị phá hủy do ăn mòn chiếm tới 12% lượng thép của toàn thế giới.
Người ta đã tính được rằng giá tiền chi phí cho lĩnh vực ăn mòn chiếm khoảng 4% tổng
thu nhập quốc dân đối với những nước có nền cơng nghiệp đang phát triển.
Kim loại với nhiều ưu điểm nổi trội như: khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, độ
bền cơ học cao, độ bền nhiệt cao, dễ dàng chế tạo ra các thiết bị, máy móc…nên đã
được ứng dụng trong hầu hết các nghành cơng nghiệp chế tạo thiết bị, máy móc cũng
như trong đời sống hàng ngày. Nhưng vấn đề đặt ra cho các nhà sản xuất vật liệu là:
trong môi trường làm việc khác nhau, kim loại (thép) luôn bị ăn mòn dần một cách tự
nhiên. Sự ăn mòn làm biến đổi một lượng lớn các kim loại (thép) có thể dẫn đến nhiều
vấn đề và hậu quả đối với quá trình sử dụng các vật dụng làm bằng kim loại (thép) và an
toàn trong lao động gây ra nhiều tổn thất với nền kinh tế của các quốc gia.
Có nhiều phương pháp bảo vệ kim loại (thép) khỏi ăn mòn đã được thực hiện.
Trong đó sử dụng chất ức chế là một trong những phương pháp bảo vệ truyền thống
khá hiệu quả, có thể kéo dài tuổi thọ của các cơng trình lên 2 - 5 lần và có tính kinh
tế cao. Nhiều loại chất ức chế đã được sử dụng rộng rãi như muối nitrit, muối cromat,
các amin hữu cơ… Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của chất ức chế đến người lao động và
mơi trường đã ít được quan tâm trong thời gian dài, thực tế đã sử dụng những hóa
chất độc hại như nitri, cromat… Hiện nay, các chất ức chế được lựa chọn phải đảm
bảo yêu cầu đầu tiên là thân thiện với mơi trường. Vì vậy, chúng tôi lựa chọn caffeine
và kết hợp với các ion kim loại.
Trên thế giới đã có nhiều phương pháp nghiên cứu ăn mòn, từ các phương pháp

truyền thống như phương pháp trọng lượng, phương pháp thể tích hay các phương pháp
hiện đại như phương pháp điện hóa, các phương pháp quan sát vi mô. Với sự phát triển
vượt bậc của các thiết bị hiện đại thì phương pháp phân tích đang có nhiều ưu thế trong
định tính và định lượng hóa học. Tuy nhiên, ứng dụng trong nghiên cứu ăn mịn chưa
nhiều. Vì vậy, chúng tơi chọn đề tài: Đánh giá khả năng hạn chế ăn mịn thép CT3

1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




trong mơi trường axit lỗng của hỗn hợp caffeine thiên nhiên với ion Zn2+hoặc ion
Mn2+ bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử.

2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về ăn mòn kim loại
1.1.1. Định nghĩa ăn mòn kim loại [2-5]
Cụm từ “ăn mòn” được dịch ra từ chữ “corrosion”, xuất phát từ ngôn ngữ latin
“corrodere” có nghĩa là “gặm nhấm” hoặc “phá hủy”. Về nghĩa rộng sự ăn mòn được
dùng để chỉ sự phá hủy vật liệu trong đó bao gồm kim loại và các vật liệu phi kim loại
khi có sự tương tác hóa học hoặc vật lý giữa chúng với mơi trường ăn mòn gây ra.

Về định nghĩa ăn mòn kim loại có thể phát biểu ở nhiều dạng khác nhau.
Trên quan điểm nhìn nhận vấn đề ăn mịn kim loại là sự phá hủy kim loại và
gây ra thiệt hại thì: Sự ăn mịn kim loại là q trình làm giảm chất lượng và tính chất
của kim loại do sự tương tác của chúng với môi trường xâm thực gây ra.
Trong điều kiện về việc xử lý bề mặt kim loại bằng phương pháp hóa học hoặc
điện hóa để làm tăng độ bóng của sản phẩm, nó găn liền với sự hịa tan bề mặt kim
loại ta có thể dùng định nghĩa: Ăn mòn kim loại là một phản ứng không thuận nghịch
xảy ra trên bề mặt giới hạn giữa vật liệu kim loại và môi trường xâm thực được gắn
liền với sự mất mát hoặc tạo ra trên bề mặt kim loại một thành phần nào đó do mơi
trường cung cấp.
Nếu xem hiện tượng ăn mòn kim loại xảy ra xét theo phân loại phản ứng thì
sự ăn mịn kim loại có thể định nghĩa như sau: Ăn mịn kim loại là một quá trình xảy
ra phản ứng oxi hóa khử trên mặt giới hạn tiếp xúc giữa kim loại và mơi trường chất
điện li, nó gắn liền với sự chuyển kim loại thành ion kim loại đồng thời kèm theo sự
khử một thành phần của môi trường và sinh ra một dòng điện.
1.1.2. Phân loại ăn mòn [1,2, 3-6]
Có nhiều cách phân loại ăn mịn kim loại.
a. Phân loại theo cơ chế của q trình ăn mịn
Tùy theo cơ chế ăn mòn kim loại mà người ta phân thành hai loại:

3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Ăn mịn hóa học: Ăn mịn hóa học là q trình oxi hóa khử trong đó kim loại
phản ứng trực tiếp với các chất oxi hóa trong mơi trường (các electron của kim loại
được chuyển trực tiếp đến các chất oxi hóa trong mơi trường).
Đặc điểm của ăn mịn hóa học là khơng phát sinh dịng điện và nhiệt độ càng

cao thì tốc độ ăn mịn càng nhanh. Sự ăn mịn hóa học thường xảy ra ở các thiết bị
của lò đốt, các chi tiết của động cơ đốt trong hoặc các thiết bị tiếp xúc với hơi nước
ở nhiệt độ cao.
3Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4H2
2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3
(x+2y)Fe + (x+3y)/2 O2 → xFeO.yFe2O3
Ăn mòn điện hóa: Ăn mịn điện hóa là q trình phá hủy kim loại tự diễn biến
khi kim loại tiếp xúc với dung dịch điện li làm phát sinh dòng điện giữa vùng anot và
catot.
Bản chất của ăn mịn điện hóa là một q trình oxy hóa khử trên bề mặt giới
hạn hai pha kim loại/dung dịch điện li. Khi đó kim loại bị hòa tan ở vùng anot kèm
theo phản ứng giải phóng H2 hoặc tiêu thụ O2 ở vùng catot, đồng thời sinh ra dòng
điện tạo thành một pin điện khép kín.
* Anot: Vùng anot xảy ra q trình oxy hóa tức là kim loại bị hịa tan:
M → Mn+ + ne
Tại anot, ion kim loại trên bề mặt điện cực chuyển vào dung dịch đồng thời có
electron dư trên kim loại. Dó đó thế của bề mặt kim loại dịch chuyển về phía âm.
* Catot: Catot là nơi xảy ra sự tiêu thụ electron (quá trình khử) bởi các tác
nhân oxy hóa
Nếu mơi trường có ion H+ thì xảy ra phản ứng giải phóng hidro và khi đó sự
ăn mịn kim loại kèm theo sự giải phóng hidro:
2H+ + ze →

𝑍
2

H2 .

Nếu trong mơi trường ăn mịn có mặt ion H+ và oxi thì xảy ra phản ứng tiêu
thụ oxi:

4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




𝑍
4

O2 + ze + zH+ →

𝑍
2

H2 O

b. Phân loại theo điều kiện mơi trường
 Ăn mịn trong đất
 Ăn mịn khí
 Ăn mịn trong chất điện giải
 Ăn mịn do dịng điện ngồi
 Ăn mịn tiếp xúc
 Ăn mịn do ứng xuất
 Ăn mòn do sinh vật
 Ăn mòn mài mịn và xói mịn
c. Phân loại theo trạng thái bề mặt kim loại bị phá hủy.
* Ăn mòn đều
Ăn mòn đều là sự mất đi một lượng ít hoặc nhiều vật liệu kim loại được phân bố
một cách đồng đều trên mọi phần của bề mặt kim loại tiếp xúc với mơi trường ăn mịn.

Trong ăn mịn đều, tác nhân gây ăn mịn tấn cơng với tốc độ như nhau trên
toàn bề mặt kim loại, độ dày kim loại giảm thống nhất. Điều kiện cần đạt được ăn
mòn đều là:
- Kim loại và dung dịch trong cùng một môi trường
- Phản ứng giữa kim loại và tác nhân ăn mòn tạo sản phẩm tan vào dung dịch.
Sự ăn mòn đều có thể bị thay đổi khi bề mặt kim loại chuyển từ thụ động sang
hoạt động do ảnh hưởng cơ học, thay đổi tốc độ dòng chảy hay một thay đổi hóa học
trong mơi trường.
* Ăn mịn cục bộ
Ăn mịn cục bộ bao gồm các dạng ăn mịn khơng đều như ăn mòn điểm, ăn
mòn lỗ, ăn mòn vết, ăn mòn hố, ăn mòn ven tinh thể, ăn mòn dưới lớp phủ,…. Các
dạng ăn mòn này xảy ra khi màng thụ động hay lớp bảo vệ bị phá hủy ở một vài
khu vực dẫn tới sự tạo thành các vùng anot nhỏ. Cường độ ăn mịn có thể quan sát

5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




được tại các khu vực này vì phần cịn lại của bề mặt bị ăn mòn ở tốc độ thấp hơn
nhiều. Tuy nhiên, do màng oxit bị phá hủy, vùng anot nhỏ hơn so với vùng catot
khá lớn làm tăng tỷ lệ diện tích catot/anot, tỷ lệ này xác định mức độ ăn mòn cục
bộ và ăn mòn piting. Ăn mòn cục bộ cũng xảy ra khi vật liệu được bảo vệ bằng
lớp phủ mà lớp phủ có một vài khiếm khuyết, các khiếm khuyết sẽ là nơi xảy ra
ăn mòn cục bộ. Ăn mòn cục bộ cũng xảy ra dưới lớp kết tủa giữa hai pha kế tiếp
nhau. Khu vực nhỏ này có mơi trường rất khác nhau so với tồn khối vật liệu gây
ra ăn mịn khe.
1.2. Khái quát về thép
1.2.1. Khái niệm về thép [7]

Thép là hợp kim của sắt (Fe) với cacbon (C) từ 0,02 đến 2,06% theo trọng
lượng và một số nguyên tố hóa học khác (Mn, Cr, Ni…).
Thép tuy cứng nhưng dẻo hơn gang, dễ rèn và dễ cán kéo. Khi được làm nguội
nhanh (tôi thép) trở nên rất cứng và khi được làm nguội chậm, thép trở nên mềm hơn.
1.2.2. Phân loại thép theo thành phần hóa học [7]
a. Thép cacbon: Chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tổng sản lượng thép (chiếm khoảng
80 - 90 %). Thép cacbon được chia thành thép mềm, thép trung và thép cao
- Thép mềm: chứa 0,2 % C
- Thép trung: chứa 0,3 - 0,6% C
- Thép cacbon cao: chứa 0,6 - 0,7 % C
b. Thép hợp kim: Hay cịn gọi là thép đặc biệt, ngồi những tạp chất có sẵn
trong thép cacbon, cịn chứa lượng lớn của một hay một số kim loại được đưa thêm
vào như Al, Cr, Co, Mo, Ni, Mn, Ti, W, V, kim loại đất hiếm. Thép có độ bền cao hơn
hẳn thép cacbon, nhất là sau khi tôi. Đối với thép hợp kim có thể phân loại thành:
- Thép hợp kim thấp: hàm lượng các nguyên tố hợp kim trong thép < 2,5 %.
- Thép hợp kim trung bình: Hàm lượng các nguyên tố hợp kim 2,5 - 10 %.
- Thép hợp kim cao: hàm lượng các nguyên tố hợp kim > 10%.
1.2.3. Ứng dụng của thép

6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Thép có ứng dụng rất lớn trong đời sống, trong xây dựng, thép dùng để chế
tạo nhiều chi tiết máy, vật dụng, dụng cụ lao động.
Thép được dùng làm vật liệu xây dựng, chế tạo phương tiện giao thông vận tải.
Thép mềm được dùng làm vỏ xe oto, thép sợi, ống, bulong.
Thép chứa cacbon trung bình: hàm lượng cacbon trong thép chiếm 0,25 - 0,6

%. Thép này có độ bền, độ cứng cao dùng để chế tạo các chi tiết máy chịu tải trọng
tĩnh và chịu va đập cao.
Thép chứa nhiều cacbon: hàm lượng cacbon trong khoảng 0,6 - 2,14 %. Thép
này dùng để chế tạo các dụng cụ cắt, khuân dập, dụng cu đo lường.
Các loại thép không gỉ và thép gỉ chun dùng có ít nhất 10% crom, trong
nhiều trường hợp có kết hợp với niken ứng dụng nhiều trong cơng nghiệp nội thất.
1.2.4. Sự ăn mịn thép
a. Sự ăn mịn thép cacbon
Thép cacbon là thép có hai thành phần chính là sắt và cacbon, hàm lượng các
nguyên tố khác có mặt khơng đáng kể.
Trong khơng khí khơ thép khơng bị ăn mịn vì có lớp màng mỏng chặt khít
oxit bảo vệ, nhưng ở nhiệt độ cao bị ăn mịn.
Trong khơng khí ẩm, ở nhiệt độ thường trên bề mặt thép có màng nước q
trình ăn mịn xảy ra theo cơ chế điện hóa:
Phản ứng anot:
Fe + HOH → FeOH+ + H+ + 2e
FeOH+ + HOH → FeOOH + 2H+ + 2e
Phản ứng này khống chế sự ăn mịn thép trong khí quyển.
Phản ứng catot:
FeOOH + e → Fe2O3 + H2O + OHTiếp theo oxit sắt tác dụng với nước và oxi.
1

3

2

4

Fe3O4 + O2 + H2O → 3FeOOH

7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Thơng thường trong khơng khí, FeOH+ và OH- tác dụng với O2 và nước tạo
thành hidroxit, oxit sắt (III) và chúng tạo thành lớp rỉ sắt. Theo thời gian rỉ sắt phát
triển thành các lớp xốp và làm giảm tốc độ ăn mịn thép.
Trong mơi trường axit, tốc độ ăn mòn thép phụ thuộc vào phản ứng catot và
thép bị ăn mịn đáng kể nếu khơng được bảo vệ.
1.2.5. Sự ăn mòn thép hợp kim thấp
Thép hợp kim thấp gồm sắt và một lượng nhỏ khoảng dưới 2% các nguyên
tố hợp kim Cu, Ni, Cr, P: có độ bền chống ăn mịn cao đối với mơi trường ăn
mịn khí quyển.
Trên bề mặt thép hợp kim thấp tạo ra lớp oxit Fe2O3 có cấu trúc sít chặt ngăn
cản sự tác động của mơi trường làm giảm q trình gỉ hóa tiếp theo. Lớp bảo vệ này
bền trong mơi trường khí quyển hay khi thay đổi thời tiết. Thép này được gọi là “thép
thời tiết” và được dùng rộng rãi trong công nghiệp.
Khi có mặt ion Cl- trong các vùng khí hậu biển và ven biển khi nhúng vào
nước, lớp oxit này khơng bền vững. Trong điều kiện khí hậu biển thường sử dụng
thép hợp kim hóa chứa các nguyên tố Ni, Cr hoặc Mo.
Thép hợp kim thấp nhạy cảm với hiện tượng ăn mịn nứt khi tiếp xúc với các
mơi trường chứa các ion NO3-, OH- và NH3 lỏng.
1.3. Sử dụng các chất ức chế bảo vệ chống ăn mòn kim loại
1.3.1. Giới thiệu về chất ức chế chống ăn mòn kim loại [6]
Chất ức chế là những hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ mà khi thêm một lượng rất
nhỏ vào mơi trường ăn mịn có tác dụng kìm hãm tốc độ ăn mòn kim loại.
Chất ức chế ăn mòn được sử dụng rộng rãi để bảo vệ bên trong đường ống, bình
chứa thép cacbon cũng như cho các vật liệu khác như thép hợp kim, lớp phủ.. Các

nghành công nghiệp sử dụng chất ức chế chống ăn mòn kim loại nhiều là: cơng nghiệp
khai thác khí và dầu, tinh chế dầu, công nghiệp nặng, cầu đường, vỏ tầu.. Chất ức chế
tạo thành một lớp bảo vệ in situ bằng cách phản ứng với dung dịch hay với bề mặt ăn
mòn. Sự ức chế ăn mòn là thuận nghịch và một hàm lượng tối thiểu của hợp chất ức

8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




chế phải có mặt để duy trì màng chất ức chế bảo vệ bề mặt. Để duy trì nồng độ tối thiểu
chất ức chế cần có sự lưu thơng tốt và khơng có vùng ứ đọng nào trong hệ. Đơi khi
người ta sử dụng hỗn hợp hai hay nhiều chất ức chế để tăng hiệu quả bảo vệ. Một số
yếu tố như giá cả, lượng, độ an tồn với mơi trường, quan trọng nhất là hiệu quả và khả
năng dễ ứng dụng cần xem xét khi lựa chọn một chất ức chế.
1.3.2. Cơ chế hoạt động của chất ức chế ăn mịn kim loại
Tùy theo bản chất q trình gây ức chế ăn mòn kim loại mà cơ chế hoạt động
của chất ức chế thường được chia làm hai loại.[6]
Tác động hấp thụ của chất ức chế trên bề mặt kim loại.
Hấp phụ là q trình tích lũy chất bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ, tùy
thuộc vào bản chất liên kết giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ mà người ta chia ra
chất hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
Trong chất ức chế ăn mòn, chất ức chế hấp phụ lên bề mặt kim loại thành một
lớp màng che phủ bề mặt, cản trở sự tấn cơng của tác nhân ăn mịn hoặc cản trở q
trình khuếch tán sản phẩm ăn mịn (ion kim loại) ra khỏi bề mặt kim loại dẫn tới giảm
hồ tan kim loại chứ khơng tham gia vào các phản ứng của q trình ăn mịn, khơng
làm thay đổi cơ chế q trình ăn mịn.
Tác dụng của chất ức chế lên phản ứng của điện cực.
Chất ức chế khi đưa vào mơi trường làm việc có mặt kim loại thì sẽ xảy ra

tương tác giữa các chất ức chế với kim loại. Quá trình làm giảm tốc độ ăn mịn có thể
do những ngun nhân sau:
- Chất ức chế làm tăng thế phân cực anot hay catot.
- Chất ức chế gây giảm tốc độ khuếch tán ion tới bề mặt kim loại.
- Chất ức chế làm tăng điện trở của bề mặt kim loại.
Chất ức chế này có thể tham gia vào quá trình phản ứng làm thay đổi cơ chế
ăn mịn của vật liệu trong mơi trường xác định. Tùy theo vùng tác động khác nhau
mà chất ức chế có thể được chia thành chất ức chế anot (hạn chế phản ứng anot), chất
ức chế catot (hạn chế phản ứng catot), chất ức chế hỗn hợp (hạn chế cả phản ứng anot
và phản ứng catot).

9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1.3.3. Phân loại chất ức chế kim loại [2,5]
- Chất ức chế thụ động (chất ức chế anot)

Chất ức chế thụ động là chất ức chế anot nó làm giảm tốc độ ăn mịn kim loại
do mơi trường ăn mịn gây ra và phải đáp ứng các yêu cầu sau:
+ Khi có chất ức chế trong mơi trường ăn mịn, giá trị thế oxi hóa khử của chất
ức chế phải dương hơn thế thụ động.
+ Giá trị mật độ dòng catot của hệ ức chế tại thế tới hạn phải lớn hơn mật độ
dịng tới hạn.
Nếu chất ức chế có nồng độ chư đủ để kìm hãm tốc độ ăn mịn kim loại thì
kim loại vẫn bị ăn mịn.
Có hai loại chất ức chế thụ động: anion có tính oxi hóa và anion khơng có tính
oxi hóa. Anion có tính oxi hóa có khả năng gây thụ động khi loại khi vắng mặt oxi,

tiêu biểu là cromat, nitri, nitrat. Anion khơng có tính oxi hóa như photophat cần có
mặt oxi để gây thụ động hóa. Loại chất ức chế này được sử dụng rộng rãi nhất và có
hiệu quả ức chế cao.
- Chất ức chế catot

Chất ức chế catot làm giảm tốc độ phản ứng catot, nó cũng có thể kết tủa trên
vùng catot làm tăng tổng trở bề mặt và giảm tốc độ khuếch tán. Hoạt động ức chế của
chất ức chế catot theo ba cơ chế:
+ Gây độc catot: trong trường hợp này, quá trình khử catot bị giảm.
+ Kết tủa catot: Các hợp chất như canxi, magie kết tủa dạng oxit hay hyddroxit
tạo thành lớp bảo vệ hoạt động như một barie trên bề mặt kim loại.
Tiêu thụ oxy: Loại trừ oxy ra khỏi hệ thống để làm giảm ăn mòn. Các hợp chất
tiêu thụ oxy sẽ phản ứng với oxy trong hệ tạo thành sản phẩm.
- Chất ức chế hỗn hợp

Khoảng 80% các chất ức chế là các hợp chất hữu cơ không thể xếp vào loại
ức chế anot hay catot và được gọi chung là chất ức chế hỗn hợp. Tính hiệu quả của
chất ức chế hữu cơ có liên quan đén mức độ hấp phụ và bao phủ bề mặt kim loại của

10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




chúng. Mức độ hấp phụ lại phụ thuộc vào cấu trúc của chất ức chế, diện tích bề mặt
của kim loại và dung dịch ăn mòn.
- Chất ức chế trong pha hơi

Các chất ức chế trong pha hơi là các hợp chất lưu thơng trong một hệ kí đến

các vị trí ăn mịn bằng cách bay hơi từ một nguồn nào đó. Các hợp chất này ức chế
ăn ịn do tạo môi trường kiềm. Khi các phân tử chất ức chế ở pha hơi nó tiếp xúc với
bề mặt kim loại và xảy ra q trình hấp phụ, do có hơi nước nên có thể xảy ra sự thủy
phân và tạo thành các ion bảo vệ. Các chất ức chế trong pha hơi thường dùng là các
anion, các nitrit ức chế bảo vệ kim loại đen.
- Chất ức chế kết tủa

Những chất ức chế này thường có khả năng tạo màng kết tủa của chúng với
ion kim loại trên bề mặt kim loại như siliacat, photphat tạo thành barie bảo vệ. Kiểu
màng của chất ức chế thường chia làm hai lớp: Lớp đầu tiên có tác dụng làm chậm
q trình ăn mịn mà khơng dừng lại hồn tồn. Lớp thứ hai chấm dứt hồn tồn sự
tấn cơng của tác nhân ăn mòn.
1.3.4. Chất ức chế dùng trong khảo sát
1.3.4.1. Caffeine [6]
Caffeine (C8H10N4O2) là tên phổ biến của trimetyxentin (tên đầy đủ là 1,3,5
trimethyxanthine hoặc 3,7 - dihidro- 1,3,7 trimetyl - 1H - purine - 2,6 - dione), nằm
trong nhóm hợp chất ankanoid (là những hợp chất vịng có chứa nitơ trong phân tử).
Cơng thức cấu tạo:

11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Là dẫn xuất tạo thành từ purine, caffeine chủ yếu được tách từ lá chè, chiếm
3- 3,5% trọng lượng khô của lá chè và có hàm lượng ít biến đổi trong q trình phát
triển của lá chè.
Tính chất
Caffeine là một chất kiềm yếu, khơng có tính axit. Tinh thể màu trắng, vị đắng,

khơng mùi, nhiệt độ nóng chảy từ 1360C đến 2250C, thăng hoa ở 1850C, kết tinh trong
nước sôi, tinh thể hình kim màu trắng
Caffeine tan trong nước ở nhiệt độ phòng với tỷ lệ 1:46, ở 120C với tỷ lệ là
1:93 tan trong rượu với tỷ lệ 1:25 ở 200C và đặc biệt tan tốt trong clorofom với tỷ lệ
là 1:8 ở 250C.
1.3.4.2. Mangan [7]
Mangan là nguyên tố thuộc phân nhóm phụ nhóm VII trong bảng HTTH của
Menđeleep:
- Khối lượng nguyên tử: 54,938
- Tỷ trọng: 7,44
- Nhiệt độ nóng chảy: 12440C
- Nhiệt độ sơi: 21200C
- Cấu hình electron lớp ngồi cùng: 3d54s2.
- Mangan có các trạng thái oxi hóa từ +2 đến +7
Trong thiên nhiên Mn là nguyên tố tương đối phổ biến đứng hàng thứ 3 trong
số các kim loại chuyển tiếp sau Fe và Ti. Trữ lượng của Mn trong vỏ trái đất là
0,032%. Mangan không tồn tại ở trạng thái tự do mà tồn tại chủ yếu trong các khống
vật. Khống vật chính của Mn là hausmanit (Mn3O4) chứa khoảng 72% Mn, pirolusit
(MnO2) chứa khoảng 63% Mn.
Mangan có nhiều đồng vị từ 49Mn đến 55Mn trong đó chỉ có 55Mn là đồng vị
thiên nhiên chiếm 100%. Đồng vị phóng bền nhất là 53Mn có chu kì bán hủy là 140
năm và kém bền nhất là 49Mn có chu kỳ bán hủy là 0,4s.
* Tính chất hóa học

12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Mangan là kim loại tương đối hoạt động. Mn dễ bị oxi khơng khí oxi hóa
nhưng màng oxit Mn2O3 được tạo nên lại bảo vệ khơng bị oxi hóa tiếp tục kể cả khi
đun nóng.
Ở dạng bột nhất là khi đun nóng mangan tác dụng với oxi, flo và clo tạo nên
Mn2O3, MnF3, MnF4, MnCl2.
Trong dãy điện hóa Mangan đứng trước hidro nên nó khơng tác dụng với nước
kể cả khi đun nóng. Ở dạng bột nhỏ, mangan tác dụng với nước giải phóng hidro:
Mn + H2O → Mn(OH)2
Phản ứng này xảy ra mãnh liệt khi trong nước có muối amoni vì Mn(OH)2 tan
trong dung dịch muối amoni giống như Mg(OH)2.
Mn(OH)2 + NH4+ → Mn2+ + 2NH3 + 2H2O
Mangan tác dụng mạnh với dung dịch loãng của các axit như HCl, H2SO4 giải
phóng khí hidro. Mn bị thụ động hóa trong axit nitric không đặc và nguội nhưng tan
trong axit đó khi đun nóng.
3Mn + 8HNO3 → 3Mn(NO3)2 + 2NO + 4H2O
* Ứng dụng
Gần 95% Mn được sản xuất là dùng để chế tạo thép trong nghành luyện kim.
Mangan có khả năng loại oxi, loại lưu huỳnh trong thép và gang và có khả năng tạo
hợp kim với sắt thành thép đặc biệt nên truyền cho thép những sản phẩm tốt như khó
rị rỉ, cứng và chịu mài mịn.
1.3.4.3. Zn [8]
Kẽm là nguyên tố thuộc nhóm IIB trong bảng HTTH của Menđeleep:
- Khối lượng nguyên tử: 65
- Tỷ trọng: 7,13
- Nhiệt độ nóng chảy: 419,50C
- Nhiệt độ sơi: 9060C
- Cấu hình electron lớp ngồi cùng:[Ar] 3d104s2.
- Mangan có trạng thái oxi hóa +2

13

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN