Tổng hợp và đặc trưng tính chất của hybrid hydrotanxit graphen oxit mang ức chế ăn mòn hữu cơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC


TRƯƠNG THỊ THÚY HẰNG

TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH
CHẤT CỦA HYBRID
HYDROTANXIT/GRAPHEN OXIT
MANG ỨC CHẾ ĂN MÒN HỮU CƠ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Hóa hữu cơ

Hà Nội – 2018


TRƯỜNG ĐHSP HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC


TRƯƠNG THỊ THÚY HẰNG

TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH
CHẤT CỦA HYBRID
HYDROTANXIT/GRAPHEN OXIT
MANG ỨC CHẾ ĂN MÒN HỮU CƠ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Hóa hữu cơ

Người hướng dẫn khoa học

PGS. TS. TÔ THỊ XUÂN HẰNG

Hà Nội – 2018


LỜI CẢM ƠN
Bản khóa luận này được hoàn thành tại phòng nghiên cứu Sơn bảo vệ
Viện Kỹ thuật Nhiệt Đới - Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công nghệ Việt Nam.
Em xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã tiếp nhận,
cho phép em được thực hiện đề tài tại Viện.
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Tô Thị
Xuân Hằng đã tin tưởng giao đề tài nghiên cứu và tận tình hướng dẫn, giúp
đỡ em hoàn thành bản khóa luận này.
Em xin cảm ơn các thầy cô giáo khoa Hóa học trường Đại học Sư
Phạm Hà Nội 2 đã trang bị cho em hệ thống kiến thức khoa học và tạo điều
kiện cho em tiếp cận với các đề tài khoa học.
Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn các cô chú, các anh chị phòng
Nghiên cứu Sơn bảo vệ - Viện Kỹ thuật Nhiệt Đới đã tận tình giúp đỡ và tạo
điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian em làm nghiên cứu khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã quan tâm và giúp đỡ em
hoàn thành bản khóa luận này.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, tháng 05 năm 2018
Sinh viên

Trương Thị Thúy Hằng

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của em, có sự hỗ
trợ từ giáo viên hướng dẫn là PGS. TS. Tô Thị Xuân Hằng. Các nội dung
nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đây. Nếu phát hiện có
bất kỳ sự gian lận nào em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng,
cũng như kết quả khóa luận của mình.
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Sinh viên

Trương Thị Thúy Hằng


MỤC LỤC
Trang


LỜI CẢM ƠN .....................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................
MỤC LỤC...........................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài....................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu................................................................................. 1
3. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................ 1
4. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................... 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................ 3
1.1. ĂN MÒN KIM LOẠI VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI............................... 3
1.1.1. Ăn mòn kim loại.............................................................................. 3
1.1.1.1. Khái niệm ................................................................................. 3
1.1.1.2. Phân loại ăn mòn kim loại........................................................ 3
1.1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới sự ăn mòn ........................................ 5
1.1.2. Các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại........................... 6
1.2. HYDROTANXIT (HT)........................................................................ 7
1.2.1. Khái niệm ........................................................................................ 7
1.2.2. Đặc điểm cấu trúc và tính chất ........................................................ 8
1.2.2.1. Đặc điểm cấu trúc .................................................................... 8
1.2.2.2. Tính chất................................................................................... 9
1.2.3. Các phương pháp tổng hợp hydrotanxit........................................ 10
1.2.4. Ứng dụng của hydrotanxit............................................................. 11
1.3. GRAPHEN.......................................................................................... 11
1.3.1. Giới thiệu chung về graphen ......................................................... 11
1.3.2. Một số tính chất của graphen ........................................................ 13
1.3.2.1. Graphen là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu......... 13


1.3.2.2. Độ bền cơ học của graphen.................................................... 14
1.3.2.3. Độ cứng của graphen ............................................................. 14
1.3.2.4. Độ mềm dẻo của graphen....................................................... 14
1.3.3.Ứng dụng của graphen ................................................................... 15
1.4. GRAPHEN OXIT............................................................................... 15
1.4.1. Giới thiệu chung về graphen oxit (GO) ........................................ 15
1.4.2. Cấu trúc graphen oxit .................................................................... 16
1.4.3. Hoạt động của các nhóm chức trong graphen và graphen oxit..... 17
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..... 18
2.1. THỰC NGHIỆM................................................................................ 18

2.1.1. Dụng cụ và hóa chất...................................................................... 18
2.1.2. Tổng hợp hydrotanxit/graphen oxit chứa BTSA (HTGO/BTSA) .............................................................................................. 18
2.1.3. Xác định hàm lượng ức chế ăn mòn trong HT-GO/BTSA ........... 19
2.1.4. Khả năng nhả ức chế ăn mòn trong môi trường xâm thực ........... 19
2.1.5. Xác định hàm lượng kẽm trong môi trường etanol/nước
(20/80) và môi trường nước cất .............................................................. 19
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..................................................... 19
2.2.1. Phương pháp phổ hồng ngoại ....................................................... 19
2.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD).............................................. 20
2.2.3. Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến ............................................. 21
2.2.4. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)...................... 22
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 24
3.1. TỔNG HỢP HYDROTANXIT/GRAPHEN OXIT MANG ỨC
CHẾ ĂN MÒN........................................................................................... 24
3.1.1. Phổ hồng ngoại.............................................................................. 24
3.1.2. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)............................................................. 25
3.2. XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG BTSA TRONG HT-GO/BTSA ......... 26
3.3. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG NHẢ ỨC CHẾ CỦA HTGO/BTSA ................................................................................................... 27
3.3.1. Ảnh hưởng của dung môi etanol/nước và nước đến khả năng
nhả ức chế ăn mòn................................................................................... 27


3.3.2. Ảnh hưởng của dung môi của dung dịch NaCl 0,5M đến khả
năng nhả ức chế ăn mòn.......................................................................... 30
3.3.3. Ảnh hưởng của nồng độ NaCl tới khả năng nhả BTSA từ
HTGO/BTSA .......................................................................................... 31
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 34
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 35

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AAS

Quang phổ hấp thụ nguyên tử

BTSA

2-benzothiazolylthio-succinic acid

CVD

Phương pháp lắng đọng hơi hóa học

HT

Hydrotanxit

HT-GO/BTSA

Hydrotanxit/graphen oxit mang ức chế ăn mòn
2-benzothiazolylthio-succinic acid

HT-BTSA

Hydrotanxit mang ức chế ăn
benzothiazolylthio-succinic acid

GO

Graphen oxit

IR

Phổ hồng ngoại

UV-Vis

Phổ tử ngoại khả kiến

XRD

Nhiễu xạ tia X

mòn

2-


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Các pig đặc trưng và liên kết tương ứng ........................................ 24
Bảng 3.2: Cường độ hấp thụ của các dung dịch ............................................. 26
Bảng 3.3: Cường độ hấp thụ HT-GO/BTSA xác định từ phổ UV-Vis,
sự nhả ức chế ở môi trường etanol/nước (20/80) và nước tại
các thời gian ngâm khác nhau......................................................... 28
Bảng 3.4: Phân tích hàm lượng Zn của HT-GO/BTSA trong dung môi
etanol/nước (20/80) và nước sau 72 giờ ngâm ............................... 29
Bảng 3.5: Cường độ hấp thụ HT-GO/BTSA xác định từ phổ UV-Vis,
sự nhả ức chế trong dung dịch NaCl 0,5M pha trong
etanol/nước (20/80) và trong nước tại các thời gian ngâm
khác nhau ........................................................................................ 30

Bảng 3.6: Cường độ hấp thụ HT-GO/BTSA xác định từ phổ UV-Vis,
sự nhả ức chế trong môi trường dung dịch NaCl ở nồng độ
khác nhau (0M, 0,1M, 0,5M) pha trong etanol/nước (20/80)
tại các thời gian ngâm khác nhau.................................................... 32


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mô hình cấu trúc dạng vật liệu hydrotanxit...................................... 7
Hình 1.2: Cấu trúc của HT – [CO3]2-................................................................ 8
Hình 1.3: Than chì là tập hợp của các mặt phẳng graphen hình lục giác ....... 12
Hình 1.4: Ba dạng thù hình của cacbon là fulleren, ống nano cacbon và than
chì (lần lượt từ trái qua phải) được hình thành từ các tấm
graphen............................................................................................ 12
Hình 1.5: Cấu trúc graphen ............................................................................. 13
Hình 1.6: Một số lĩnh vực ứng dụng của graphen .......................................... 15
Hình 1.7: Cấu trúc đề xuất của GO bởi các nhà nghiên cứu khác nhau ......... 16
Hình 2.1: Mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ Aλ và nồng độ chất Cx ...... 23
Hình 3.1: Phổ hồng ngoại của GO, HT-BTSA và HT-GO/BTSA ................. 24
Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X của GO (a), HT-BTSA (b) và HTGO/BTSA (c) .................................................................................. 25
Hình 3.3: Đường chuẩn biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ và cường
độ hấp thụ của dung dịch ................................................................ 26
Hình 3.4: Phổ UV-Vis của dung dịch pha loãng 10 lần của mẫu HTGO/BTSA sau khi phản ứng với HNO3 1M ................................... 27
Hình 3.5: Sự giải phóng BTSA từ HT-GO/BTSA trong dung môi
etanol/nước (20/80) và nước theo thời gian.................................... 29
Hình 3.6: Sự giải phóng BTSA từ HT-GO/BTSA vào môi trường xâm
thực NaCl 0,5M trong dung môi etanol/nước (20/80) và trong
nước cất theo thời gian ngâm.......................................................... 31
Hình 3.7: Sự giải phóng BTSA từ HT-GO/BTSA vào các dung dịch
NaCl ở các nồng độ khác nhau: 0M, 0,1M, 0,5M theo thời
gian ngâm........................................................................................ 33

Khóa luận tốt
nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
2

1


Khóa luận tốt
nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
2
MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Kim loại có vai trò rất quan trọng trong nền kinh tế quốc dân của các
nước, là vật liệu không thể thiếu và được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống.
Nhưng ở Việt Nam, do tác động của môi trường khí hậu nóng ẩm, mưa nhiều
cùng với sự biến đổi khí hậu toàn cầu hiện nay, kim loại bị xâm thực, bị ăn
mòn mạnh mẽ, làm cho tuổi thọ công trình xuống cấp. Sự ăn mòn kim loại
gây ra các hậu quả nghiêm trọng như biến đổi tính chất các kim loại, ảnh
hưởng tới các công trình kiến trúc, ảnh hưởng tới quá trình sản xuất, gây thiệt
hại về kinh tế, mất an toàn lao động, gây ô nhiễm môi trường. Lượng kim loại
loại bỏ, không còn sử dụng được nữa khoảng 10%. Do vậy việc chống ăn
mòn kim loại là một vấn đề cần thiết và mang ý nghĩa rất lớn.
Lớp phủ hữu cơ được sử dụng rộng rãi trong chống ăn mòn các công

trình kim loại. Cromat là pigment, được sử dụng làm chất ức chế trong màng
sơn có hiệu quả cao và độ bám dính cao với bề mặt kim loại [11]. Tuy nhiên
hợp chất này rất độc hại và gây ung thư. Do đó có rất nhiều công trình nghiên
cứu các chất ức chế ăn mòn không gây độc hại, không gây ô nhiễm môi
trường nhằm thay thế cho hợp chất cromat được các nhà khoa học quan tâm.
Gần đây có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng của hydrotanxit,
graphen oxit trong lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn kim loại. Với mục đích chế
tạo chất ức chế ăn mòn không độc hại, thân thiện với môi trường có thể ứng
dụng trong lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn kim loại vì vậy nên em đã chọn đề
tài: “Tổng hợp và đặc trưng tính chất của hybrid hydrotanxit/graphen
oxit mang ức chế ăn mòn hữu cơ” nhằm thay thế các hợp chất cromat độc
hại.
2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài gồm 2 mục đích chính:
- Tổng hợp được hybrid hydrotanxit/graphen oxit (HT-GO) mang ức
chế ăn mòn hữu cơ 2-benzothiazolythio-succinic acid (BTSA).
- Xác định khả năng giải phóng ức chế ăn mòn của HT-GO/BTSA.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Vì những mục đích cấp thiết đề tài đã nêu, nhiệm vụ đặt ra của đề tài là:

2


- Tổng hợp hybrid hydrotanxit/graphen oxit (HT-GO) mang ức chế ăn
mòn hữu cơ 2-benzothiazolythio-succinic acid (BTSA).
- Phân tích cấu trúc của HT-GO/BTSA.
- Đánh giá khả năng nhả BTSA của HT-GO/BTSA.
4. Đối tượng nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu chế tạo tổng hợp hybrid HT-GO/BTSA, phân tích
cấu trúc của hybrid HT-GO/BTSA và khả năng nhả BTSA của hybrid HTGO/BTSA.

5. Phương pháp nghiên cứu
Trong khóa luận này em sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
- Tổng hợp HT-GO/BTSA bằng phương pháp đồng kết tủa.
- Phân tích cấu trúc HT-GO/BTSA bằng phổ hồng ngoại, XRD.
- Khả năng nhả BTSA của HT-GO/BTSA trong dung dịch NaCl được
đo bằng phổ UV-Vis, xác định hàm lượng Zn của dung dịch sau khi ngâm
bằng phương pháp AAS.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của khóa luận góp phần làm cơ sở khoa học để tạo
ra chất ức chế ăn mòn kim loại không độc hại để thay thế cho các hợp chất
cromat, ứng dụng để tạo ra loại sơn thân thiện với môi trường.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. ĂN MÒN KIM LOẠI VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI [1,2]
1.1.1. Ăn mòn kim loại
1.1.1.1. Khái niệm
Ăn mòn kim loại là sự phá huỷ bề mặt của kim loại do tương tác hoá học hoặc
tương tác điện hoá của các kim loại với môi trường xung quanh (như khí
quyển, chất điện ly…). Kim loại trong môi trường ăn mòn sẽ chuyển thành các
ion:
M
Mn+ + n e
Trong đó: M là kim loại, n là số e trong nguyên tử kim loại bị mất đi
khi bị oxi hóa tạo thành ion kim loại Mn+. Ion kim loại sau đó có thể tồn tại ở
dạng tự do trong dung dịch hoặc có thể bị kết tủa dưới dạng hydroxit hay oxit
tùy theo điều kiện môi trường.
1.1.1.2. Phân loại ăn mòn kim loại
Bản chất và thành phần kim loại, bề dày kim loại, thành phần môi
trường xâm thực, công nghệ vật liệu…là những nguyên nhân ảnh hưởng tới

quá trình ăn mòn kim loại.
Tùy vào cơ chế phá hủy bề mặt của kim loại mà người ta phân loại ăn
mòn kim loại thành: ăn mòn hóa học và ăn mòn điện
hóa.
Ăn mòn hoá học là sự ăn mòn xảy ra do một phản ứng hoá học giữa vật
liệu kim loại và môi trường xung quanh tác dụng lên kim loại theo cơ chế
phản ứng hoá học dị thể, nghĩa là phản ứng chuyển kim loại thành ion xảy ra ở
cùng một giai đoạn.
Ăn mòn điện hoá là dạng ăn mòn xảy ra do tác dụng của môi trường
xung quanh lên bề mặt kim loại theo cơ chế điện hoá, tuân theo quy luật của
động học điện hoá. Phản ứng chuyển kim loại thành ion xảy ra không ở cùng
một giai đoạn mà là xảy ra ở nhiều giai đoạn và ở nhiều vùng khác nhau của
kim loại.
- Ăn mòn điện hóa tuân theo quy luật của động học điện hóa và định
luật Faraday. Điển hình như là sự ăn mòn galvanic là dạng các hợp kim tạo bởi
nhiều nguyên tố kim loại có điện thế điện cực khác nhau khi ở trong các
dung dịch điện li đã tạo thành các pin ăn mòn.
3


- Sự phá hủy bề mặt kim loại theo cơ chế ăn mòn điện hóa rất phổ biến
và đa dạng trong tự nhiên. Thực tế một lượng lớn kim loại bị ăn mòn theo cơ
chế điện hóa.

4


- Quá trình ăn mòn điện hóa của kim loại gồm có ba quá trình là quá
trình anôt, quá trình catôt và quá trình dẫn điện.
+ Quá trình anôt (xảy ra ở cực dương) là quá trình oxi hóa, trong đó ion

kim loại (chất khử - red) chuyển vào dung dịch và giải phóng điện
tử: Me → Men+ +ne
hay viết tổng quát là
Red1→ Ox1+ne
+ Quá trình catôt (xảy ra ở cực âm) là quá trình khử, trong đó các
chất oxi hóa (Ox - thường là H+ hoặc là O2) nhận điện tử do kim loại
bị ăn mòn giải phóng ra:
Ox2 + ne → Red2
 Nếu chất oxi hóa là H+ thì quá trình catôt xảy ra như
sau: H+ + 1e → Hhp
Hhp + Hhp→ H2
Trong đó, Hhp là hydro hấp phụ. Trường hợp này được gọi là sự ăn mòn
với chất khử phân cực hydro.
 Nếu chất oxi hóa là O2 thì quá trình tại catot xảy ra như sau:
 Nếu là môi trường axit, quá trình catôt
là: O2 + 4H+ + 4e → 2H2O
 Nếu là môi trường trung tính hoặc bazơ, quá trình catôt
là: O2 + 2H2O + 4e → 4OH+ Quá trình dẫn điện, các điện tử do kim loại ăn mòn giải phóng ra sẽ
di chuyển từ anôt tới catôt, còn các ion dịch chuyển trong dung dịch.
Như vậy trong quá trình ăn mòn điện hóa, khi kim loại bị ăn mòn sẽ
hình thành vùng catôt và vùng anôt.
Ngoài ra còn phân loại ăn mòn kim loại theo sự phá huỷ bề mặt kim
loại. Được chia thành hai loại là sự ăn mòn xảy ra trên toàn bề mặt kim loại
(ăn mòn liền khối) hay từng khu vực bề mặt kim loại (ăn mòn cục bộ).
Những hậu quả do ăn mòn kim loại gây ra rất nghiêm trọng, làm hao
tổn kim loại và tổn hại nền nền kinh tế. Quá trình ăn mòn làm một lượng lớn
các sản phẩm kim loại biến đổi thành các sản phẩm ăn mòn, làm cho tính chất
của các kim loại biến đổi. Sự ăn mòn làm cho một số tính chất quan trọng của
kim loại
5

đã bị biến đổi như tính ổn định cơ học, độ mềm dẻo, tính chất vật lý, tính chất
hoá học như tính cứng, tính phản xạ, tính dẫn điện và dẫn nhiệt… Vì vậy để
đánh giá những thiệt hại do ăn mòn gây ra ta phải khảo sát các hậu quả do ăn
mòn gây ra bao gồm hao tổn trực tiếp và hao tổn gián tiếp.
- Những hao tổn trực tiếp bao gồm giá cả các thiết bị ăn mòn (máy
móc, ống dẫn), các phí tổn quan trọng của các phương tiện bảo vệ: mạ điện,
mạ niken của thép hay sử dụng sơn hoặc sử dụng các chất ức chế ăn mòn kim
loại.
- Những hao tổn gián tiếp gây ra những hậu quả nghiêm trọng như sự
hư hại thiết bị, mất mát sản phẩm, hiệu suất giảm, sự lẫn các tạp chất trong các
sản phẩm thực phẩm ...
Vậy nên việc chống ăn mòn kim loại là một vấn đề rất cần thiết, nhất là
về kinh tế cũng như công nghệ chống ăn mòn kim loại.
1.1.1.3.
Các yếu tố ảnh hưởng tới sự ăn
mòn
Các yếu tố ảnh hưởng tới sự ăn mòn kim loại gồm:
- Bản chất kim loại
+ Tính chống ăn mòn kim loại liên quan đến điện thế tiêu chuẩn, hoạt
độ hóa học của kim loại. Khi điện thế tiêu chuẩn càng âm thì hoạt độ hóa học
của kim loại càng cao, càng dễ làm cho kim loại bị ăn mòn. Nhưng cũng có
những kim loại (như crom, niken) có điện thế chuẩn âm, hoạt độ hóa học cao,
tính bền với ăn mòn kim loại tốt. Đó là do bề mặt kim loại đó hình thành lớp
màng oxit kín, mỏng, bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn. Hiện tượng trên được
gọi là sự thụ động hóa kim loại.
+ Tính chống gỉ của kim loại liên quan tới hàm lượng tạp chất và độ
bóng của kim loại. Kim loại càng nhiều tạp chất thì tính chống gỉ càng kém,
và độ bóng kim loại càng cao tính chống gỉ càng càng tốt.

- Nhiệt độ ảnh hưởng tới sự ăn mòn của kim loại. Nếu nhiệt độ càng
cao, hoạt độ hóa học của kim loại và dung dịch tăng, làm cho sự ăn mòn hóa
học càng tăng.
- Môi trường ăn mòn có liên quan trực tiếp với tính chống gỉ của kim
loại. Ở các môi trường khác nhau, tính ổn định của kim loại cũng khác nhau.

5


1.1.2. Các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại [2]
Việc chống ăn mòn kim loại phải được thực hiện đồng thời với việc sử
dụng kim loại, dựa trên các nguyên nhân và cơ chế của quá trình ăn mòn kim
loại người ta chia làm ba phương pháp bảo vệ chính gồm.
- Thay đổi tính chất của môi trường xâm thực:
Bằng cách loại bỏ các chất xâm thực hoặc đưa vào các chất làm giảm
tính xâm thực của môi trường. Ví dụ, oxi hòa tan trong dung dịch là nguyên
nhân ăn mòn kim loại thì người ta có thể bảo vệ kim loại bằng cách đuổi oxi
vào không khí hay đưa vào các chất hấp phụ đặc biệt như hydrazon hydrat,
natri sunfit… Để giảm tính xâm thực của các dung dịch axit, muối, bazơ người
ta thêm vào dung dịch các chất ức chế ăn mòn. Để bảo vệ chi tiết máy, chống
sự ăn mòn của khí quyển thì dùng các chất ức chế bay hơi.
- Thay đổi tính chất của kim loại:
Thay đổi các tính chất của kim loại bằng cách đưa vào các kim loại bền
hơn đối với ăn mòn trong các dung dịch ở các điều kiện. Việc chế tạo hợp kim
các kim loại là một phương pháp có hiệu quả để tạo thành một loại thép
mới, một loại hợp kim mới. Độ bền của vật liệu được nâng cao bằng cách biến
đổi thành phần (thêm các nguyên tố vào trong hợp kim) hoặc tác động lên sự
phân bố pha hoặc giảm nguy cơ nứt gãy, giòn hoá do hydro.
Thay đổi tính chất của kim loại dựa trên sự hiểu biết về quá trình ăn
mòn điện hóa hòa tan anôt các kim loại bằng các phương pháp bảo vệ điện

hóa như: bảo vệ catôt, bảo vệ anôt, bảo vệ bằng protecto, bảo vệ điện dẫn lưu.
Phương pháp dịch chuyển điện thế của kim loại có thể làm giảm tốc độ
hoặc ngừng sự hòa tan kim loại. Chiều dịch chuyển điện thế phụ thuộc vào
tính chất bảo vệ catôt hoặc anôt. Bảo vệ catôt có thể thực hiện được bằng
anôt hy sinh hoặc bằng dòng ngoài. Bảo vệ bằng anot hy sinh là kim loại cần
bảo vệ được nối điện với một điện cực có thế đủ thấp để phản ứng cục bộ ở
anôt không thể xảy ra. Bảo vệ bằng dòng ngoài là sử dụng một dòng điện áp
vào pin tạo thành bởi kim loại cần bảo vệ, dòng điện có thể đóng vai trò catôt
và một anôt trơ. Mật độ dòng điện áp vào phải đảm bảo để phản ứng cục bộ ở
anôt không xảy ra.
- Tách kim loại khỏi môi trường xâm thực:

6


Là phương pháp bảo vệ kim loại được sử dụng rộng rãi trong
công nghiệp. Bằng cách phủ một lớp bám dính tốt, không thấm nước và kín
khít, độ cứng cao và điện trở thấp, không bị ăn mòn hoặc bị ăn mòn với tốc độ
yếu hơn tốc độ ăn mòn của kim loại cần được bảo vệ, có độ bền cao để ngăn
cách kim loại khỏi môi trường xâm thực. Có nhiều loại lớp phủ nhưng ta có thể
chia thành ba loại chính như sau: Lớp phủ kim loại, lớp phủ phi kim loại và lớp
phủ hữu cơ.
Bản chất của lớp phủ bảo vệ là cô lập các kim loại với môi trường
xâm thực. Sự có mặt của lớp phủ trên bề mặt kim loại đã kìm hãm sự ăn
mòn kim loại.
1.2. HYDROTANXIT (HT) [11-14]
1.2.1. Khái niệm
Hydrotanxit (HT) là hỗn hợp hydroxit của kim loại hóa trị II và kim loại
hóa trị III, tạo thành các lớp bát diện mang điện tích dương. Để cấu trúc trung
hòa về điện tích các anion bị hydrat hóa đan xen vào khoảng trống giữa hai lớp

bát diện.
Công thức tổng quát của hydrotanxit có dạng:

7


MII(1-x)MIIIx(OH)2Ax/nn+.mH2O
Trong đó:
MII: Kim loại hóa trị II như Mg, Ni, Zn, Ca....
MIII: Kim loại hóa trị III như Al, Fe, Cr, Co....
Giá trị x từ 0,2 đến 0,33 với x=MIII/(MII +
MIII).
Lớp anion xen kẽ: [Ax/n.mH2O]x-

Lớp hydroxit: [MII1-xMIIIx(OH)2]x+
Hình 1.1: Mô hình cấu trúc dạng vật liệu hydrotanxit

8


Để có sự trung hòa điện tích trong cấu trúc, các anion A có điện tích mbị hydrat hóa được xác định ở lớp trung gian. A là các anion vô cơ hoặc hữu
cơ như:
Anion halogen: F-, Cl-, Br-, …
-

2-

2-

Oxo anion: NO3 , SO4 , CO3 ,…
1.2.2. Đặc điểm cấu trúc và tính chất
1.2.2.1. Đặc điểm cấu trúc
Hydrotanxit (HT) có cấu trúc tinh thể giống brucite, Mg(OH)2. Trong
đó, kim loại hóa trị II phối trí bát diện với ion hydroxit xung quanh, hình
thành các lớp. Trong cấu trúc này, nguyên tử kim loại hóa trị II (MII) có thể
được thay thế bằng những nguyên tử kim loại hóa trị III (MIII) và tỉ lệ nguyên
tử MII : MIII có thể thay đổi.
Sự thay thế MIII cho MII hình thành những lớp điện tích dương trên lớp
hydroxit kim loại, do kim loại hóa trị III phối trí bát diện với những nhóm
hydroxyl.

Hình 1.2: Cấu trúc của HT – [CO3]2Lớp điện tích dương của hydrotanxit được cân bằng bởi anion lớp
trung gian. Vì vậy, hydrotanxit có khả năng trao đổi anion với lớp trung gian.
Ngoài những anion, các phân tử nước cũng được định vị ở lớp trung gian giữa
những lớp hydroxit kim loại.
Tương tác giữa lớp hydroxit kim loại với các anion ở lớp trung gian là
tương tác tĩnh điện và liên kết hiđro giữa các phân tử nước làm cho cấu trúc
của


hydrotanxit bền vững. Liên kết cộng hóa trị lớn, xuất hiện giữ các lớp hydroxit
tạo nên mạng polime hydroxit. Nếu anion có điện tích âm lớn (như là
[V10O28]6-) sẽ làm cho hợp chất HT bền hơn so với các anion hóa trị I (như là
Cl-, [NO3 ]- ).
Hydrotanxit phân hủy hoàn toàn khi ở nhiệt độ cao tạo thành hỗn hợp
oxit bazơ. Khi nhiệt độ tăng, nước ở lớp trung gian bị mất, sau đó tách
hydroxit và lớp trung gian cacbonat phân hủy thành CO2. Từ việc loại bỏ CO2
và H2O trong cấu trúc hydrotanxit cuối cùng cho hỗn hợp oxit.
1.2.2.2. Tính chất

Vùng không gian giữa các lớp hydroxit gồm các anion và các phân tử
nước sắp xếp một cách hỗn độn tạo thành những tính chất riêng của các
hydrotanxit. Đó là tính chất trao đổi anion. Đây là một trong những tính chất
quan trọng của lớp kép hydroxit, cấu trúc này có thể trao đổi với một lượng
lớn anion bên trong bằng những anion khác ở những trạng thái khác nhau.
Phản ứng trao đổi anion xảy ra do sự thay đổi giá trị khoảng cách lớp
trung gian giữa hai lớp hydroxit liền kề. Sự thay đổi này có mối liên hệ với
hình dạng và mật độ điện tích của các anion tương ứng.
Hydrotanxit có khả năng phân tán anion rất lớn và là một trong những
loại chất chủ yếu dùng để trao đổi anion do có cấu trúc lớp và các anion đan
xen vào chỗ trống.
Phản ứng trao đổi anion thường ở dạng cân bằng sau:
[MII. MIII.X ] + Y= [MII. MIII.Y ] +X
Sự trao đổi anion trong hydrotanxit phụ thuộc vào tương tác tĩnh điện
giữa các lớp hydroxit tích điện dương với các anion đang trao đổi và mức năng
lượng tự do thấp nhất của sự hydrat hóa.
Hằng số cân bằng tăng khi bán kính anion giảm dần. Sự trao đổi dễ
dàng hơn đối với các anion có mật độ điện tích cao. Từ tính toán về hằng số
cân bằng
-

Miyata (1983), ông đã đưa ra dãy anion hóa trị: OH-> F-> Cl-> Br-> NO3 và
2-

2-

2-


CO3 > SO4 > MnO4 .

Sự trao đổi anion xảy ra hoàn toàn khi dung dịch huyền phù của
hydrotanxit được khuấy liên tục với lượng dư anion cần trao đổi.
pH của quá trình trao đổi hoặc điều kiện lọc rửa và sấy khô ảnh
hưởng đến quá trình trao đổi anion. pH luôn nằm trong vùng tồn tại bền của
lớp hydroxit và các anion bù trừ điện tích.