Nghiên cứu điều chế và khả năng ức chế chống ăn mòn kim loại trong môi trường chất điện li của một số hợp chất hữu cơ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.99 MB, 82 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
NGUYỄN TRỌNG DÂN
NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VÀ KHẢ NĂNG ỨC CHẾ CHỐNG ĂN
MÒN KIM LOẠI TRONG MÔI TRƢỜNG CHẤT ĐIỆN LI CỦA
MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - 2012
1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
NGUYỄN TRỌNG DÂN
NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VÀ KHẢ NĂNG ỨC CHẾ CHỐNG ĂN
MÒN KIM LOẠI TRONG MÔI TRƢỜNG CHẤT ĐIỆN LI CỦA
MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ
Chuyên ngành : Hóa lý thuyết và Hóa lý
Mã số: 60 44 31
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Trịnh Xuân Sén
Hà Nội - 2012
2
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU................................................................................................................................................ 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN...................................................................................................... 2
1.1.Khái quát về ăn mòn kim loại................................................................................................... 2
1.1.1.Khái niệm về ăn mòn kim loại
..........................................................................................................................................................................
2
1.1.2.Phân loại các quá trình ăn mòn kim loại
..........................................................................................................................................................................
2
1.2. Tiêu chuẩn đánh giá độ ăn mòn.............................................................................................. 5
1.2.1. Chỉ tiêu khuynh hướng ăn mòn (kr)
.........................................................................................................................................................................
5
1.2.2. Chỉ tiêu vết ăn mòn (kn)
.........................................................................................................................................................................
5
1.2.3. Chỉ tiêu chiều sâu ăn mòn (P)
.........................................................................................................................................................................
5
1.2.4. Chỉ tiêu thay đổi khối lượng
.........................................................................................................................................................................
5
1.2.5. Chỉ tiêu thể tích ăn mòn
..........................................................................................................................................................................
6
1.2.6. Chỉ tiêu dòng điện ăn mòn (iăm)
..........................................................................................................................................................................
6
1.2.7. Chỉ tiêu thay đổi tính chất cơ học do ăn mòn
..........................................................................................................................................................................
6
1.2.8. Chỉ tiêu thay đổi điện trở
..........................................................................................................................................................................
6
1.2.9. Chỉ tiêu phản xạ do ăn mòn
...........................................................................................................................................................................
6
1.3.Các phƣơng pháp chống ăn mòn kim loại......................................................................... 6
1.3.1.Chọn và chế tạo vật liệu có độ bền vững chống ăn mòn cao
..........................................................................................................................................................................
6
1.3.2. Cách ly kim loại với môi trường
..........................................................................................................................................................................
7
1.3.3. Các phương pháp bảo vệ điện hoá
..........................................................................................................................................................................
8
1.3.4. Bảo vệ kim loại bằng phương pháp dùng chất ức chế
...........................................................................................................................................................................
9
1.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 của các
chất ức chế............................................................................................................................................... 12
1.4.1. Phương pháp điện hoá- đo đường cong phân cực
.......................................................................................................................................................................
12
1.4.2. Phương pháp khối lượng
.......................................................................................................................................................................
13
1.5.Giới thiệu về các chất ức chế ăn mòn trong môi trƣờng axit....................................... 13
3
Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM.......................................................................................... 15
2.1. Chuẩn bị thí nghiệm.................................................................................................................. 15
2.1.1.Thiết bị và dụng cụ
......................................................................................................................................................................
15
2.1.2.Hoá chất sử dụng
......................................................................................................................................................................
15
2.2.Đối tƣợng khảo sát...................................................................................................................... 16
2.3.Tổng hợp 2-benzyliden-N-phenylhydrazincacbothioamit và dẫn xuất của
nó.................................................................................................................................................................. 17
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................ 19
3.1.Kết quả tổng hợp 2-benzyliden-N-phenylhydrazincacbothioamit và dẫn
xuất của nó(DBP).................................................................................................................................. 19
3.2.Kết quả đánh giá khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 trong môi trƣờng HCl
2M của các hợp chất DBP bằng phƣơng pháp mất khối lƣợng................................... 20
3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ chất MBP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
trường HCl 2M
........................................................................................................................................................................
20
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất HBP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
trường HCl 2M
........................................................................................................................................................................
21
3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ chất ISPBP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
trường HCl 2M
........................................................................................................................................................................
22
3.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ chất BBP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
trường HCl 2M
........................................................................................................................................................................
22
3.2.5. Ảnh hưởng của nồng độ chất BP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
trường HCl 2M
........................................................................................................................................................................
23
3.2.6.Ảnh hưởng của nồng độ chất NBP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
trường HCl 2M
........................................................................................................................................................................
23
3.3. Kết quả đánh giá khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 của DBP trong môi
trƣờng HCl 2M bằng phƣơng pháp đo đƣờng cong phân cực.................................... 25
3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ chất MBP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
trường HCl 2M
........................................................................................................................................................................
25
3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất HBP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
4
trường HCl2M
........................................................................................................................................................................
26
3.3.3. Ảnh hưởng của nồng độ chất
ISPBP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong
môi trường HCl 2M
........................................................................................................................................................................
27
3.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ BBP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi trường
HCl 2M
......................................................................................................................................................................
28
3.3.5. Ảnh hưởng của nồng độ chất BP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
trường HCl 2M
........................................................................................................................................................................
29
3.3.6. Ảnh hưởng của nồng độ chất NBP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
trường HCl 2M
........................................................................................................................................................................
30
3.4. Kết quả đánh giá khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 của DBP trong môi
trƣờng NaCl 3,5% bằng phƣơng pháp đo đƣờng cong phân cực.............................. 33
3.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ chất MBP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
trường NaCl 3,5%
........................................................................................................................................................................
33
3.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất HBP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
trường NaCl 3,5%.
........................................................................................................................................................................
34
3.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ chất ISPBP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
trường NaCl 3,5%.
........................................................................................................................................................................
35
3.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ chất BBP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
trường NaCl 3,5%.
........................................................................................................................................................................
36
3.4.5. Ảnh hưởng của nồng độ chất BP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
trường NaCl 3,5%.
........................................................................................................................................................................
37
3.4.6. Ảnh hưởng của nồng độ chất NBP đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi
trường NaCl 3,5%.
.......................................................................................................................................................................
38
3.5. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình ăn mòn thép CT3 trong
môi trƣờng HCl 2M............................................................................................................................ 40
KẾT LUẬN....................................................................................................................................... 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................... 44
PHỤ LỤC............................................................................................................................................ 46
5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Một số dạng ăn mòn............................................................................................................. 4
Hình 1.2: Đồ thị mô tả phương pháp ngoại suy Tafel.............................................................. 12
Hình 3.1: Hiệu quả bảo vệ thép CT3 của các chất trong HCl 2M theo phương pháp
mất khối lượng......................................................................................................................................... 24
Hình 3.2: Đường cong phân cực của thép CT3 trong HCl 2M có mặt chất ức chế
MBP ở các nồng độ khác nhau.......................................................................................................... 25
Hình 3.3: Đường cong phân cực của thép CT3 trong HCl 2M có mặt chất ức chế
HBP ở các nồng độ khác nhau........................................................................................................... 26
Hình 3.4: Đường cong phân cực của thép CT3 trong HCl 2M có mặt chất ức chế
ISPBP ở các nồng độ khác nhau...................................................................................................... 27
Hình 3.5: Đường cong phân cực của thép CT3 trong HCl 2M có mặt chất ức chế
BBP ở các nồng độ khác nhau........................................................................................................... 28
Hình 3.6: Đường cong phân cực của thép CT3 trong HCl 2M có mặt chất ức chế BP
ở các nồng độ khác nhau..................................................................................................................... 29
Hình 3.7: Đường cong phân cực của thép CT3 trong HCl 2M có mặt chất ức chế
NBP ở các nồng độ khác nhau........................................................................................................... 30
Hình 3.8: Hiệu quả bảo vệ thép CT3 của các chất trong HCl 2M theo phương pháp
đo đường cong phân cực...................................................................................................................... 32
Hình 3.9: Đường cong phân cực của thép CT3 trong NaCl 3,5% có mặt chất ức chế
MBP ở các nồng độ khác nhau.......................................................................................................... 33
Hình 3.10: Đường cong phân cực của thép CT3 trong NaCl 3,5% có mặt chất ức chế
HBP ở các nồng độ khác nhau........................................................................................................... 34
Hình 3.11: Đường cong phân cực của thép CT3 trong NaCl 3,5% có mặt chất ức chế
ISPBP ở các nồng độ khác nhau...................................................................................................... 35
Hình 3.12: Đường cong phân cực của thép CT3 trong NaCl 3,5% có mặt chất ức chế
BBP ở các nồng độ khác nhau........................................................................................................... 36
Hình 3.13: Đường cong phân cực của thép CT3 trong NaCl 3,5% có mặt chất ức chế
6
BP ở các nồng độ khác nhau.............................................................................................................. 37
Hình 3.14: Đường cong phân cực của thép CT3 trong NaCl 3,5% có mặt chất ức chế
NBP ở các nồng độ khác nhau........................................................................................................... 38
Hình 3.15: Hiệu quả bảo vệ thép CT3 của các chất trong NaCl 3,5% theo phương
pháp đo đường cong phân cực........................................................................................................... 39
Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnQ vào 1/T khi không có chất ức chế
-4
và có các chất ức chế ở nồng độ 10 M......................................................................................... 41
7
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Kết quả hiệu suất, màu sắc, nhiệt độ nóng chảy của sản phẩm........................ 19
Bảng 3.2: Kết quả phổ hồng ngoại và phổ khối lượng của sản phẩm................................ 19
Bảng 3.3: Độ giảm khối lượng, hiệu quả ức chế ăn mòn và tốc độ ăn mòn thép CT3
trong dung dịch HCl 2M có chứa các nồng độ MBP khác nhau.......................................... 21
Bảng 3.4: Độ giảm khối lượng, hiệu quả ức chế ăn mòn và tốc độ ăn mòn thép CT3
trong dung dịch HCl 2M có chứa các nồng độ HBP khác nhau........................................... 21
Bảng 3.5: Độ giảm khối lượng, hiệu quả ức chế ăn mòn và tốc độ ăn mòn thép CT3
trong dung dịch HCl 2M có chứa các nồng độ ISPBP khác nhau....................................... 22
Bảng 3.6: Độ giảm khối lượng, hiệu quả ức chế ăn mòn và tốc độ ăn mòn thép CT3
trong dung dịch HCl 2M có chứa các nồng độ BBP khác nhau........................................... 22
Bảng 3.7: Độ giảm khối lượng, hiệu quả ức chế ăn mòn và tốc độ ăn mòn thép CT3
trong dung dịch HCl 2M có chứa các nồng độ BP khác nhau............................................... 23
Bảng 3.8: Độ giảm khối lượng, hiệu quả ức chế ăn mòn và tốc độ ăn mòn thép CT3
Ntrong dung dịch HCl 2M có chứa các nồng độ NBP khác nhau....................................... 23
Bảng 3.9: Tóm tắt kết quả bảo vệ thép CT3
trong HCl 2M của các chất ức chế
theo phương pháp mất khối lượng................................................................................................... 24
Bảng 3.10: Bảng số liệu khảo sát đường cong phân cực của thép CT3 trong HCl 2M
có mặt chất ức chế MBP...................................................................................................................... 26
Bảng 3.11: Bảng số liệu khảo sát đường cong phân cực của thép CT 3 trong HCl 2M
có mặt chất ức chế HBP....................................................................................................................... 27
Bảng 3.12: Bảng số liệu khảo sát đường cong phân cực của thép CT 3 trong HCl 2M
có mặt chất ức chế ISPBP................................................................................................................... 28
Bảng 3.13: Bảng số liệu khảo sát đường cong phân cực của thép CT 3 trong HCl 2M
có mặt chất ức chế BBP....................................................................................................................... 29
Bảng 3.14: Bảng số liệu khảo sát đường cong phân cực của thép CT 3 trong HCl 2M
có mặt chất ức chế BP.......................................................................................................................... 30
Bảng 3.15: Bảng số liệu khảo sát đường cong phân cực của thép CT 3 trong HCl 2M
có mặt chất ức chế NBP....................................................................................................................... 31
8
Bảng 3.16: Tóm tắt kết quả bảo vệ thép CT3 trong HCl 2M của các chất ức chế
theo phương pháp đo đường cong phân cực................................................................................ 31
Bảng 3. 17: Bảng số liệu khảo sát đường cong phân cực của thép CT3 trongNaCl
3,5% có mặt chất ức chế MBP.......................................................................................................... 33
Bảng 3.18: Bảng số liệu khảo sát đường cong phân cực của thép CT 3 trong NaCl
3,5% có mặt chất ức chế HBP........................................................................................................... 34
Bảng 3.19: Bảng số liệu khảo sát đường cong phân cực của thép CT 3 trongNaCl
3,5% có mặt chất ức chế ISPBP........................................................................................................ 35
Bảng 3.20: Bảng số liệu khảo sát đường cong phân cực của thép CT 3 trong NaCl
3,5% có mặt chất ức chế BBP........................................................................................................... 36
Bảng 3.21: Bảng số liệu khảo sát đường cong phân cực của thép CT 3 trong NaCl
3,5% có mặt chất ức chế BP............................................................................................................... 37
Bảng 3.22: Bảng số liệu khảo sát đường cong phân cực của thép CT 3 trong NaCl
3,5% có mặt chất ức chế NBP........................................................................................................... 38
Bảng 3.23: Tóm tắt kết quả bảo vệ thép CT3 trong NaCl 3,5% của các chất ức chế
theo phương pháp đo đường cong phân cực................................................................................ 38
Bảng 3.24: Tốc độ ăn mòn thép CT3 trong HCl 2M có và không có chất ức chế phụ
thuộc nhiệt độ........................................................................................................................................... 40
9
MỞ ĐẦU
Trong công nghiệp cũng như xây dựng dân dụng, kim loại đã được sử dụng
từ lâu và rất phổ biến. Một vấn đề đặt ra là khi kim loại tiếp xúc với môi trường
xung quanh, sự ăn mòn xảy ra thường xuyên dẫn đến giảm tuổi thọ của các thiết bị,
công trình, gây tổn thất cho hệ sinh thái và thiệt hại cho nền kinh tế quốc dân. Theo
đánh giá của liên hợp quốc, ăn mòn làm tổn thất đến 3% tổng sản phẩm quốc gia.
Bởi vậy, nghiên cứu về ăn mòn và bảo vệ kim loại đã được quan tâm từ rất lâu.
[3,12].
Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, việc nghiên cứu ăn mòn và
bảo vệ kim loại là rất cần thiết. Có rất nhiều biện pháp khác nhau được sử dụng để
hạn chế đến mức thấp nhất những thiệt hại do ăn mòn gây ra. Một trong những biện
pháp đó là việc sử dụng các chất ức chế để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn.
Để góp phần vào lĩnh vực nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề
tài: “Nghiên cứu điều chế và khả năng ức chế chống ăn mòn kim loại trong môi
trường chất điện li của một số hợp chất hữu cơ.” Đề tài bao gồm các nội dung sau:
1. Tổng hợp các hợp chất hữu cơ 2-benzyliden-N-phenyl hydrazin
cacbothioamit và dẫn xuất của nó(DBP).
2.
Tiến hành khảo sát khả năng ức chế ăn mòn thép CT 3 trong môi trường
chất điện li là dung dịch HCl 2M, NaCl 3,5% của các hợp chất trên bằng phương
pháp khối lượng và phương pháp điện hoá.
3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng ức chế ăn mòn
thép
CT3 trong môi trường axit HCl 2M của hợp chất trên.
1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1. Khái quát về ăn mòn kim loại [6, 10, 11, 13]
1.1.1. Khái niệm về ăn mòn kim loại
Ăn mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại hoặc hợp kim do tác động lí hoá
học của môi trường xung quanh.
Hậu quả của sự ăn mòn kim loại là nguyên tử kim loại bị oxi hoá thành ion
kim loại và mất đi những tính chất quý của kim loại:
M - ne = M
n+
1.1.2. Phân loại các quá trình ăn mòn kim loại
Căn cứ vào môi trường và cơ chế của sự ăn mòn kim loại, người ta phân làm hai
loại chính là ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hoá.
1.1.2.1. Ăn mòn hoá học [1, 6, 7]
Ăn mòn hoá học là sự phá huỷ kim loại bởi phản ứng hoá học dị thể giữa bề
mặt kim loại và môi trường phản ứng ở nhiệt độ cao. Kim loại bị chuyển thành ion
kim loại và đi vào môi trường trong cùng một giai đoạn. Môi trường phản ứng là
những chất khí có tính oxi hoá cao, ví dụ khí O2, khí Cl2, khí CO… Sự phá huỷ kim
loại do các dung môi không nước cũng diễn ra theo cơ chế này.
Đặc điểm của ăn mòn hóa học là không phát sinh dòng điện và nhiệt độ càng
cao thì tốc độ ăn mòn càng lớn.
Ví dụ: quá trình oxy hoá kim loại bằng khí oxy (hoặc các khí khác như SO 2,
các khí halogen, hơi H2O…) xảy ra ở nhiệt độ cao.
1.1.2.2. Ăn mòn điện hoá [9, 10, 11]
Ăn mòn điện hoá là sự phá huỷ kim loại do sự tương tác hoá học giữa kim
loại và dung dịch chất điện li.
Nói một cách khác là: sự ăn mòn điện hoá là phản ứng oxy hoá khử dị thể
xảy ra trên bề mặt giới hạn tiếp xúc giữa kim loại và dung dịch chất điện li tại hai
khu vực khác nhau: khu anot và khu catot có giá trị thế dương hơn khu anot.
2
*
Quá trình ăn mòn điện hoá xảy ra tương tự sự hoạt động của một pin điện
bị khép kín mạch. Trên bề mặt kim loại tồn tại các vùng anot và catot là do sự chênh
lệch về thế trên bề mặt giới hạn pha (do sự có mặt của phụ gia hợp kim, do sự lệch
mạng các tinh thể kim loại.). Các phản ứng xảy ra như sau:
Vùng anot xảy ra quá trình oxi hóa tức là kim loại bị hoà tan:
Me - ne Me
n+
Ion kim loại trên bề mặt điện cực chuyển vào dung dịch đồng thời có
electron dư trên kim loại. Các electron dư ở vùng anot được dịch chuyển đến vùng
catot trên bề mặt kim loại.
- Nếu môi trường ăn mòn là
axít thì phản ứng catốt xảy ra
+
nH + ne n/2H2
- Nếu môi trường là trung tính có dư khí O2 trên
catốt xảy ra phản ứng n/4O2 + n/2H2O + ne =
nOH
-
Do hai quá trình anốt và catốt diễn ra liên tục nên kim loại bị phá huỷ dần
dần. Ở quá trình anốt xảy ra sự oxy hoá kim loại trong khi ở quá trình catốt xảy ra
sự khử các chất khử phân cực (chất nhận e). Quá trình chuyển kim loại thành ion
+
gọi là quá trình anốt, nó luôn gắn liền với quá trình catốt - sự khử ion H hoặc O2
đồng thời sinh ra dòng điện.
*
Điều kiện xảy ra ăn mòn điện hoá
Các kim loại không nguyên chất hoặc hợp kim: kim loại-phi kim
(gang,
thép) hình thành các cặp điện cực khác nhau.
-
Các điện cực đó tiếp xúc với dung dịch chất điện li.
-
Các điện cực tiếp xúc với nhau (trực tiếp hoặc gián tiếp)
* Phân loại ăn mòn điện hoá, dựa theo hai qua điểm:
Phụ thuộc vào môi trường ăn mòn:
-
Ăn mòn khí quyển: nghĩa là ăn mòn các kim loại trong khí quyển hay các
khí ẩm ướt khác.
-
Ăn mòn trong chất điện li: axit, bazơ, muối…
3
-
-
Ăn mòn dưới đất: ăn mòn kim loại đặt dưới mặt đất.
-
Ăn mòn điện: do dòng điện hay dòng lang thang.
Ăn mòn dưới tác dụng của áp lực: tác động cơ học như sự gãy nứt do quá
tải của cầu sắt, cầu trục…
-
Ăn mòn sinh vật học: gây ra do các vi sinh vật hay những sản phẩm chuyển
hoá của chúng.
Theo trạng thái bề mặt kim loại:
Theo cách này, ăn mòn được phân ra làm 3 nhóm.
Nhóm 1: sự ăn mòn đồng đều (uniform corrosion)
-
Ăn mòn nứt (crevice corrosion)
-
Ăn mòn điện hoá (galvanic corrosion)
-
Ăn mòn điểm (pitting corrosion)
Nhóm 2: Ăn mòn bổ sung.
Sự ăn mòn do mài mòn hay sự ăn mòn phong hoá (erosion
corrosion)
-
Sự ăn mòn tạo lỗ hổng (cavitation)
-
Sự ăn mòn làm mòn (gặm mòn dần-fretting corrosion)
-
Sự ăn mòn giữa các tinh thể (intergranuar corrosion)
Nhóm 3: phân loại thông qua kính hiển vi điện tử hay quang học
-
Sự tróc mảng (exfoliation)
-
Sự ăn mòn chọn lọc (có chọn lọc-Dealloying selective leaching)
-
Sự ăn mòn bẻ gẫy (stress corrosion cracking)
- Sự ăn mòn mỏi làm giảm sự chịu đựng của kim loại (corrosion
fatigue) * Một số dạng ăn mòn
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Hình 1.1: Một số dạng ăn mòn
4
Chú thích
(a): Ăn mòn đều trên bề mặt
(b): Ăn mòn không đều trên bề mặt
(c): Ăn mòn hang hốc
(d): Ăn mòn điểm
(e): Ăn mòn giữa các tinh thể
(f): Ăn mòn xuyên tinh
1.2. Tiêu chuẩn đánh giá độ ăn mòn [8, 11]
Có 9 chỉ tiêu đánh giá mức độ ăn mòn của kim loại (đánh giá định lượng)
1.2.1. Chỉ tiêu khuynh hướng ăn mòn (kr)
Là thời gian tính bằng giờ hoặc ngày xuất hiện vết ăn mòn đầu tiên trên một
diện tích nhất định của bề mặt kim loại.
1.2.2. Chỉ tiêu vết ăn mòn (kn)
Là lượng vết ăn mòn xuất hiện trên một đơn vị diện tích trong một thời gian
xác định t.
1.2.3. Chỉ tiêu chiều sâu ăn mòn (P)
Là chiều sâu phá huỷ (trung bình hoặc cực đại) trên bề mặt mẫu kim loại
trong một thời gian xác định:
Q
P
d
ở đó
Vì vậy thứ nguyên của P là mm/năm
1.2.4. Chỉ tiêu thay đổi khối lượng
Là sự thay đổi khối lượng của mẫu kim loại bị ăn mòn trên diện tích bề mặt
kim loại trong thời gian t.
Có hai chỉ tiêu thay đổi khối lượng:
-
m
Chỉ tiêu giảm khối lượng: km t g / m2 .h
-
m
Chỉ tiêu tăng khối lượng: km t
5
Trong đó:
m: là trị số hao hụt khối lượng mẫu trên 1 đơn vị diện tích
t: Thời gian làm thí nghiệm
1.2.5. Chỉ tiêu thể tích ăn mòn
k
tt
Trong đó:
V: Là thể tích hấp thụ hoặc thoát ra trong quá trình ăn mòn trên diện tích bề
mặt mẫu t: Trong thời gian làm thí nghiệm
s: Diện tích bề mặt
1.2.6. Chỉ tiêu dòng điện ăn mòn (iăm)
Là mật độ dòng điện tương ứng với tốc độ của quá trình ăn mòn kim loại
2
2
nhất định, đơn vị tính mA/cm (hoặc A/cm ).
1.2.7. Chỉ tiêu thay đổi tính chất cơ học do ăn mòn
Là sự thay đổi các chỉ tiêu cơ học của vật liệu do tác dụng ăn mòn của môi
trường trong khoảng thời gian nhất định.
1.2.8. Chỉ tiêu thay đổi điện trở
Là sự thay đổi điện trở của mẫu kim loại bị ăn mòn trong thời gian nhất định
KR
R
.100%
RO
Trong đó:
KR: Chỉ tiêu thay đổi điện trở
∆R: Trị số thay đổi điện trở
RO: Trị số điện trở của mẫu không bị ăn
mòn 1.2.9. Chỉ tiêu phản xạ do ăn mòn
Là sự thay đổi khả năng phản xạ của bề mặt kim loại trong thời gian bị ăn mòn.
1.3. Các phƣơng pháp chống ăn mòn kim loại [6, 10, 11, 13, 19, 21, 22]
1.3.1. Chọn và chế tạo vật liệu có độ bền vững chống ăn mòn cao
Việc lựa chọn vật liệu có độ bền chống ăn mòn cho từng loại môi trường là
vấn đề rất có ý nghĩa về mặt chống ăn mòn kim loại. Một số kim loại của nhóm
platin, vàng, đồng, niken, molipđen có độ bền nhiệt động cao trong môi trường axit
6
không có tính oxi hoá.
Những kim loại dễ đi vào trạng thái thụ động: crôm, hợp kim chứa crôm,
thép chống ăn mòn chứa titan, nhôm...
Những kim loại có khả năng tạo lớp sản phẩm ăn mòn, lớp này có khả năng
bảo vệ chống sự ăn mòn tiếp theo: đồng, kẽm, thiếc...
Bên cạnh việc lựa chọn vật liệu, việc chế tạo vật liệu mới có độ bền chống ăn
mòn cao lại càng có ý nghĩa thực tế. Để có hợp kim có độ bền chống ăn mòn cao
người ta thường sử dụng các phụ gia. Phụ gia là những nguyên tố kim loại được đưa
thêm vào kim loại nhằm tạo ra một màng sản phẩm ăn mòn có khả năng bảo vệ tốt
hoặc làm giảm hoạt tính catot hay anot trên bề mặt kim loại.
1.3.2. Cách ly kim loại với môi trường [10, 11]
1.3.2.1. Sử dụng lớp phủ phi kim
-
Lớp phủ oxít: Tạo ra lớp màng oxít bền trên bề mặt kim loại nhằm ngăn cản
việc tiếp xúc của kim loại với môi trường.
-
Phôtphat hoá: Cho các chi tiết bằng thép vào trong dung dịch muối
phôtphat của các kim loại như Mn, Fe, Zn. Khi đó xuất hiện một màng xốp muối
phôtphat khó tan trên bề mặt chi tiết. Lớp này ngoài việc bảo vệ kim loại còn là nền
tốt để sơn phủ hoặc tẩm dầu.
-
Sơn và vecni: Là những sản phẩm lỏng để quét hoặc phun lên vật liệu kim
loại (hoặc phi kim). Sơn phủ thường là những hợp chất polime có độ bao phủ và
bám dính tốt, vecnic cũng có ưu điểm cứng, nhẵn, bóng, có độ bám dính tốt.
1.3.2.2. Sử dụng lớp phủ kim loại
-
Lớp mạ điện: Kim loại cần bảo vệ được phủ lên bề mặt các lớp mạ như Zn,
Cd, Ni, Cr, Sn… mạ điện được tiến hành với dòng điện một chiều. Vật cần mạ là
catốt được nối với cực âm của nguồn điện, cực anốt là kim loại dùng để mạ được
nối với cực dương. Khi lớp mạ catốt có điện thế dương hơn kim loại cần bảo vệ thì
lớp mạ phải đặc sít không có lỗ xốp. Khi lớp mạ catốt có điện thế âm hơn kim loại
cần bảo vệ thì lớp mạ sẽ bị hoà tan còn kim loại nền được bảo vệ.
Lớp phủ nhiệt khuyếch tán: Là những lớp phủ tạo thành do khuyếch
tán từ
7
pha rắn hay khí của nhôm (lớp phủ nhiệt nhôm), Crôm (lớp phủ nhiệt Cr), Si (lớp
phủ nhiệt Silic) vào kim loại chính (thép). Quá trình tiến hành ở nhiệt độ cao trong
chân không, môi trường trung tính, hay khử, trong khí Clo.
-
Phủ nhúng nóng: Là khi nhúng kim loại cần bảo vệ vào kim loại phủ nóng
chảy, phương pháp này hay dùng nhất là khi phủ nhúng nóng kẽm.
-
Lớp phủ cán ép: Lớp phủ tạo thành khi cán nóng chảy kim loại, một kim
loại là lớp phủ, kim loại kia là nền. Chiều dày lớp phủ thường bằng 10 20% kim
loại nền.
-
Phun kim loại: Là phương pháp dùng luồng khí nén phun kim loại nóng
chảy lên bề mặt chi tiết cần bảo vệ. Các phân tử kim loại chuyển động với tốc độ
lớn đập vào bề mặt nền gắn kết với bề mặt tạo lớp phủ kim loại.
1.3.3. Các phương pháp bảo vệ điện hoá [10, 11]
1.3.3.1. Bảo vệ catốt
Bảo vệ catot bằng dòng ngoài: Thiết bị cần bảo vệ được nối với cực
âm của
nguồn điện 1 chiều, còn điện cực phụ (anốt) được nối với cực dương. Nhờ dòng
điện 1 chiều của dòng ngoài người ta có thể giảm thế điện cực của kim loại vào
vùng không bị ăn mòn hay giảm thế catốt bằng thế anốt E oc Eoa do đó dòng ăn
mòn hướng về số O. Phương pháp này áp dụng cho các kim loại: Fe, Cu, Pb, Al và
hợp kim nhôm khi chúng bị ngâm trong dung dịch nước hay bao quanh môi trường
ẩm.
-
Bảo vệ bằng anốt hy sinh: Để giảm thế điện cực đến thế bảo vệ (bằng kim
loại không bị ăn mòn hay đến thế thụ động hoàn toàn), ta có thể cho kim loại cần
bảo vệ tiếp xúc với kim loại bị ăn mòn ở thế thấp hơn và kim loại ăn mòn có tác
dụng như một anốt hy sinh. Phương pháp này được gọi là bảo vệ bằng protectơ
catốt.
1.3.3.2. Bảo vệ anốt
Phương pháp này chỉ dùng cho kim loại có khả năng bị thụ động nhờ dòng
điện 1 chiều người ta phân cực anốt làm cho kim loại chuyển vào trạng thái thụ
động bền. Việc bảo vệ anốt dùng cho các các két nước, thùng chứa axít sunfuric
8
nhằm chống ăn mòn rỗ và ăn mòn rạn nứt.
1.3.4. Bảo vệ kim loại bằng phương pháp dùng chất ức chế [3, 4, 6, 8]
Chất ức chế là hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ mà khi thêm một lượng nhỏ vào
môi trường ăn mòn có tác dụng kìm hãm tốc độ ăn mòn kim loại.
Khi sử dụng các chất ức chế cần phải lưu ý một điều kiện sau:
Chất ức chế không gây độc hại cho con người và ô nhiễm môi
trường.
-
Giá thành thấp.
Ngày nay có rất nhiều hợp chất có tác dụng kìm hãm tốc độ ăn mòn song có
thể tạm phân chia thành các loại sau:
-
Ức chế gây thụ động
-
Ức chế hấp phụ
-
Ức chế bay hơi
-
Ức chế kết tủa
1.3.4.1. Ức chế gây thụ động
Các chất ức chế gây thụ động gây nên sự thay đổi điện thế ở anốt làm cho bề
mặt kim loại trở nên thụ động.
-
-
-
Các muối: Na2CrO4, NO3 , NO2 có thể gây thụ động đối với thép ngay cả
khi không có oxi.
-
Các muối: phôtphat, silicat, borat, vonframat, molipdat… khi có mặt của
oxi có thể gây thụ động.
Những loại ức chế này thường được sử dụng rộng rãi và hiệu quả trong công
2-
-
nghiệp: Trong hệ thống nước làm lạnh tuần hoàn thì CrO4 , NO3 ở nồng độ
300 500 ppm, Ca3 PO4: 15 37ppm Silicat: 20 40ppm.
Một số chất như: Nitrit, benzoat, borat, phốtphat, mercapto, benzotriazol…
được sử dụng trong chất làm lạnh ở động cơ ô tô.
Tuy nhiên nhược điểm của các chất ức chế này là khi nồng độ của nó không
đủ lớn thì chúng sẽ làm gia tăng tốc độ ăn mòn và gây ra hiện tượng ăn mòn điểm.
Vì vậy, khi sử dụng chất ức chế gây thụ động cần phải thường xuyên giám sát nồng
9
độ của chúng.
1.3.4.2. Ức chế kết tủa
Các chất ức chế kết tủa là các hợp chất tạo lớp màng bảo vệ trên bề mặt,
ngăn cản cả 2 quá trình catốt và anốt.
Nước cứng là loại nước có hàm lượng ion canxi và magiê khá cao, loại nước
này ít ăn mòn hơn là nước mềm vì: Xu hướng của muối trong nước cứng kết tủa
trên bề mặt của kim loại và tạo ra lớp màng bảo vệ. Để ngăn chặn nước làm gỉ bề
mặt thép người ta thường sử dụng natrisilicat và phôtphat trong hệ thống nước nóng.
Phương pháp này không được tin cậy tuyệt đối vì hiệu quả bảo vệ còn phụ thuộc
vào pH, thành phần của nước và nhiệt độ. Mặt khác, trong một giới hạn nào đó
phương pháp này không có lợi cho sự truyền nhiệt.
1.3.4.3. Chất ức chế bay hơi
Là những hợp chất vô cơ hay hữu cơ có áp suất hơi đủ cao, ngay cả ở nhiệt
độ thường để nhanh chóng chiếm một thể tích khép kín. Những hợp chất này hấp
phụ lên bề mặt kim loại và bảo vệ nó khỏi tác dụng của môi trường xâm thực.
Chất ức chế bay hơi thường dùng trong bao gói bảo quản những mặt hàng
bằng kim loại. Trong các nồi hơi thường sử dụng chất trung hoà như amoniac,
xyclohexamin, benzylamin. Các amin mạch thẳng dài với nồng độ tối thiểu là 13ppm.
1.3.4.4. Chất ức chế hấp phụ
Những chất ức chế loại này thường có nguồn gốc hữu cơ, chúng hoà tan vào
dung dịch (hoặc ít tan) và kìm hãm tốc độ ăn mòn do hấp phụ che phủ bề mặt kim
loại.
Chúng có thể kìm hãm phản ứng anốt, catốt hay cả hai đồng thời làm tăng trở
kháng của bề mặt và hạn chế sự khuyếch tán.
Hiệu quả bảo vệ của những chất ức chế này phụ thuộc vào: kích thước phân
tử, diện tích tiết diện ngang, hiệu ứng không gian, mật độ điện tích của các trung
tâm hút bám, liên kết cho nhận giữa dị nguyên tử và kim loại, hiệu ứng Steric, hằng
số Hammett, lùc néi ph©n tö… Nhiệt độ và áp suất trong hệ thống cũng là những
10
yếu tố ảnh hưởng đến khả năng ức chế của các hợp chất hữu cơ.
Mật độ điện tích của các trung tâm hút bám sẽ hấp phụ lên bề mặt kim loại,
bịt các tâm phản ứng của bề mặt. Nhờ đó kim loại được bảo vệ, độ bền của liên kết
cho nhận giữa nhóm chức của chất ức chế với bề mặt kim loại là yếu tố ảnh hưởng
đến các hợp chất hữu cơ hoà tan.
Chất ức chế càng có hiệu quả khi các nguyên tử của nhóm chức có xu hướng
gia tăng sự hình thành liên kết hoá học với kim loại.
Có 3 loại môi trường thường hay sử dụng chất ức chế là:
-
Nước công nghiệp (làm lạnh) ở pH gần trung tính 59
-
Dung dịch axít tẩy gỉ.
-
Công nghệ dầu thô và chưng cất dầu.
Ở
đó chất ức chế hữu cơ (chức các nguyên tố O, N, S… trong cấu trúc phân
tử dạng thơm hoặc cao phân tử) thường được dùng ức chế trong dung dịch axit tẩy
gỉ. Quá trình xử lý bề mặt và tẩy gỉ thường xảy ra trong môi trường axít, đó là môi
trường cực kỳ thuận lợi cho quá trình ăn mòn, nó không những làm phá huỷ kim
loại mà còn gây tiêu hao một lượng axít lớn. Vì vậy, việc dùng các chất ức chế hữu
cơ này là vấn đề quan trọng cả về góc độ khoa học cũng như khía cạnh kinh tế.
Cơ chế ức chế của các hợp chất hữu cơ đƣợc mô tả nhƣ sau
-
Cấu trúc phân tử của chất ức chế hữu cơ đều gồm 2 phần:
Phần không phân cực tương đối đồ sộ về thể tích chủ yếu cấu trúc bởi C và
H.
2-
Phần phân cực gồm 1 hoặc nhiều nhóm như: PO4
(phôtphat); - OH
(hydroxyl); - COOH (carboxyl);- SH (mercapto): - NH2 (amin).
Chính các nhóm chức này đính trực tiếp lên bề mặt kim loại và quá trình ăn
mòn bị chậm lại do phần không phân cực đồ sộ phủ lấp từng phần các tâm hoạt
động của bề mặt.
Hiệu quả ức chế thường được tính dựa vào công thức:
11
Trong đó:
io: Là dòng ăn mòn trong môi trường axít khi không có chất ức chế
i: dòng ăn mòn trong môi trường axít khi có chất ức chế
1.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu khả năng ức chế ăn mòn thép CT 3 của các
chất ức chế. [1, 6, 7, 10, 11, 13]
1.4.1. Phương pháp điện hoá- đo đường cong phân
cực Cơ sở lý thuyết
Trạng thái thí nghiệm của hệ ăn mòn là không có dòng điện do các quá trình
điện cực cân bằng với nhau. Xác định độ ăn mòn điện hoá tức là đo dòng ăn mòn
iam và thế ăn mòn Eam của hệ, xây dựng đường cong phân cực bằng cách phân cực
hệ ra khỏi trạng thái cân bằng của nó rồi ngoại suy về trạng thái không có dòng
điện. Ở đây chúng tôi sử dụng phương pháp đo điện thế ổn định (điện thế dừng),
xây dựng đường cong phân cực, từ đường cong phân cực tính tốc độ ăn mòn.
E
E
H2
Eăm
EM
Hình 1.2: Đồ thị mô tả phương pháp ngoại suy Tafel
Từ việc xác định dòng ăn mòn iam khi không có chất ức chế và có chất ức
chế, từ đó suy ra mức độ bảo vệ:
12
