Nghiên cứu chiết tách tanin từ vỏ quả măng cụt và ứng dụng làm chất ức chế ăn mòn kim loại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM


ĐINH THỊ PHỤNG

NGHIÊN CỨU CHIẾT TÁCH TANIN TỪ VỎ QUẢ
MĂNG CỤT VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT ỨC CHẾ
ĂN MÒN KIM LOẠI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÓA HỌC

ĐÀ NẴNG - NĂM 2020


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM


ĐINH THỊ PHỤNG

NGHIÊN CỨU CHIẾT TÁCH TANIN TỪ VỎ QUẢ MĂNG CỤT
VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT ỨC CHẾ ĂN MÒN KIM LOẠI

Chuyên ngành: HĨA LÍ THUYẾT VÀ HĨA LÍ
Mã số: 60440119

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÓA HỌC
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:

PGS.TS. LÊ TỰ HẢI

ĐÀ NẴNG - NĂM 2020






MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ..........................................................................................1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU....................................................................................2
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ........................................................2
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu ......................................................................................2
3.2. Phạm vi nghiên cứu .........................................................................................2
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...........................................................................2
4.1. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết ..................................................................2
4.2. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm ............................................................2
5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...................................................................................2
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI ...............................................3
6.1. Ý nghĩa khoa học .............................................................................................3
6.2. Ý nghĩa thực tiễn..............................................................................................3
7. CẤU TRÚC LUẬN VĂN .......................................................................................3
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ..................................................................4

1.1. TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI ................................4
1.1.1. Định nghĩa ăn mòn kim loại .........................................................................4
1.1.2. Phân loại ăn mòn kim loại ............................................................................4
1.1.3. Cơ sở nhiệt động của ăn mịn điện hóa học ..................................................5
1.1.4. Động học của ăn mịn điện hóa.....................................................................6
1.1.5. Giản đồ Pourbaix của sự ăn mòn sắt ở 25oC ................................................8
1.1.6. Các yếu tố ảnh hƣởng tới sự ăn mịn điện hóa .............................................9
1.1.7. Ăn mịn thép trong nƣớc sơng và nƣớc biển...............................................10
1.1.8. Các phƣơng pháp bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn .........................................11
1.1.9. Bảo vệ kim loại bằng chất ức chế ...............................................................14
1.2. TỔNG QUAN VỀ TANIN ...............................................................................17
1.2.1. Khái niệm ....................................................................................................17
1.2.2. Phân loại .....................................................................................................18
1.2.3. Tính chất và định tính tanin ........................................................................21
1.2.4. Tác dụng và cơng dụng ...............................................................................22
1.2.5. Tình hình nghiên cứu và sử dụng tanin hiện nay........................................23
1.2.6. Những thực vật chứa nhiều tanin ................................................................24


1.3. TỔNG QUAN VỀ HỌ MĂNG CỤT ..............................................................24
1.3.1. Giới thiệu chung .........................................................................................24
1.3.2. Nguồn gốc và phân bố ................................................................................25
1.3.3. Đặc điểm thực vật .......................................................................................26
1.3.4. Đặc điểm sinh hóa.......................................................................................28
1.3.5. Cơng dụng và giá trị kinh tế của măng cụt .................................................29
1.3.6. Tình hình sản xuất măng cụt .......................................................................29
1.3.7. Đặc điểm sinh thái ......................................................................................30
1.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP CHIẾT TÁCH HỢP CHẤT HỮU CƠ ..................30
1.4.1. Phƣơng pháp chƣng cất ..............................................................................30
1.4.2. Phƣơng pháp chiết ......................................................................................32

1.4.3. Phƣơng pháp kết tinh ..................................................................................32
CHƢƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................33
2.1. NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ ..............................................33
2.1.1. Nguyên liệu .................................................................................................33
2.1.2. Hóa chất và thiết bị .....................................................................................34
2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................34
2.2.1. Định tính xác định tanin có trong vỏ quả măng cụt ....................................34
2.2.2. Xác định một số chỉ tiêu hóa lý của mẫu bột vỏ quả măng cụt ..................35
2.2.3. Định lƣợng tanin bằng phƣơng pháp Lowenthal ........................................36
2.2.4. Nghiên cứu các quá trình chiết tách tanin của vỏ quả măng cụt ................37
2.2.5. Phân tích sản phẩm tanin rắn tách từ vỏ quả măng cụt ..............................37
2.2.6. Nghiên cứu tính chất ức chế ăn mịn kim loại của tanin từ vỏ quả măng cụt [27]......... 38
2.2.7. Phƣơng pháp chụp SEM xác định bề mặt...................................................41
2.3. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM .......................................................41
CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ...................................43
3.1. ĐỊNH TÍNH TANIN TRONG VỎ QUẢ MĂNG CỤT ................................43
3.1.1. Định tính chung ..........................................................................................43
3.1.2. Định tính phân biệt 2 loại tanin ..................................................................44
3.2. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ SỐ HÓA LÍ CỦA MẪU BỘT VỎ QUẢ
MĂNG CỤT .............................................................................................................44
3.2.1. Độ ẩm (W%) ..............................................................................................44
3.2.2. Hàm lƣợng hữu cơ tổng cộng (Hc %).........................................................45
3.3. ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH CHIẾT TÁCH
TANIN TỪ VỎ QUẢ MĂNG CỤT .......................................................................45
3.3.1. Ảnh hƣởng của kích thƣớc bột vỏ măng cụt...............................................45
3.3.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ chiết .....................................................................47
3.3.3. Ảnh hƣởng của thời gian chiết....................................................................48


3.3.4. Ảnh hƣởng của tỉ lệ nƣớc : etanol...............................................................48

3.4. TÁCH TANIN RẮN VÀ XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN CẤU TẠO .............50
3.4.1. Tách tanin rắn .............................................................................................50
3.4.2. Phổ IR của mẫu tanin rắn............................................................................51
3.5. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ỨC CHẾ ĂN MỊN KIM LOẠI CỦA
TANIN RẮN TÁCH TỪ VỎ QUẢ MĂNG CỤT .................................................52
3.5.1. Khả năng ức chế ăn mịn thép CT3 trong mơi trƣờng NaCl 3,5% .............52
3.5.2. Khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 trong môi trƣờng HCl ........................59
3.6. XÁC ĐỊNH ẢNH HƢỞNG CỦA TANIN ĐẾN SỰ OXI HÓA THÉP CT3
BẰNG SEM..............................................................................................................62
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................65
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Kí hiệu
SEM
IR
CE
WE
RE
CT3
dd

Tiếng Anh
Scaning electron microscopy
InfraRed Spectrum
Counter Electrode
Working Electrode
Reference Electrode

Tiếng Việt
Kính hiển vi điện tử quét
Phổ hồng ngoại
Điện cực đối
Điện cực nghiên cứu
Điện cực so sánh
Mác thép cacbon thấp
dung dịch


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số hiệu
bảng
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
2.1
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8

3.9
3.10

Tên bảng

Trang

Các phƣơng trình phản ứng xảy ra trong hệ
Thành phần các muối hòa tan trong nƣớc biển
Thành phần (%) các nguyên tố trong thép CT3
Một số chất ức chế đƣợc dùng trong môi trƣờng H2SO4 22%
Công thức của một số chất hữu cơ ức chế ăn mịn điển hình
Phân loại của măng cụt
Thành phần dinh dƣỡng của quả măng cụt
Danh sách các hóa chất sử dụng nghiên cứu
Độ ẩm của mẫu bột vỏ măng cụt khô
Hàm lƣợng hữu cơ tổng cộng của vỏ quả măng cụt
Ảnh hƣởng của kích thƣớc bột vỏ măng cụt đến hiệu suất tách
tanin
Ảnh hƣởng của nhiệt độ chiết đến hiệu suất tách tanin
Ảnh hƣởng của thời gian chiết đến hiệu suất tách tanin
Ảnh hƣởng của tỉ lệ nƣớc : etanol đến hiệu suất tách tanin
Kết quả phân tích phổ IR
Giá trị điện trở phân cực (RP), dòng ăn mòn (icorr) và hiệu quả
ức chế Z (%) theo thời gian ngâm thép
Giá trị điện trở phân cực (Rp), dòng ăn mòn (icorr) và hiệu quả
ức chế Z (%) theo nồng độ dd tanin
Giá trị điện trở phân cực (Rp), dòng ăn mòn (icorr) và hiệu quả
ức chế Z (%) theo nồng độ dd HCl

9
10
10
15
15
25
28
34
44
45
46
47
48
49
52
55
59
61


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Số hiệu
hình vẽ
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7

1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
1.14
1.15
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9

Tên hình vẽ, đồ thị
Hình ảnh các cơng trình, kết cấu bằng sắt thép bị hƣ hỏng trong
quá trình sử dụng
Sơ đồ ăn mịn điện hóa của kim loại M
Giản đồ thế - pH của các điện cực hiđro và oxi
Giản đồ Pourbaix đối với Fe cho sự ăn mòn sắt ở 25oC

Giản đồ E-pH các vùng ăn mòn và bảo vệ kim loại
Bảo vệ catot bằng protector
Đƣờng cong phân cực trong phƣơng pháp bảo vệ anơt
Giản đồ ăn mịn ức chế: (a) ức chế catôt ; (b) ức chế anôt
Sản phẩm đun chảy tanin trong môi trƣờng kiềm
Một số loại polyphenol thuộc nhóm tanin pyrogallic
Một số loại polyphenol thuộc nhóm tanin pyrocatechic
Hình ảnh cây măng cụt
Hình ảnh rễ cây măng cụt
Hình ảnh lá và hoa măng cụt
Hình ảnh về quả măng cụt
Mẫu vỏ măng cụt sau khi sơ chế
(a) Sau khi rửa, thái
(b) Sau khi phơi
Định lƣợng tanin bằng phƣơng pháp Lowenthal
Sơ đồ thiết bị đo đƣờng cong phân cực
Đồ thị xác định điện trở phân cực từ đƣờng cong phân cực
Phƣơng pháp xác định dịng ăn mịn
Sơ đồ quy trình thực nghiệm
Thí nghiệm định tính chung của tanin trong vỏ quả măng cụt
Thí nghiệm định tính chung của tanin trong vỏ quả măng cụt
Thí nghiệm định tính phân biệt 2 loại tanin
Mẫu bột vỏ quả măng cụt sau khi nung
Các kích thƣớc bột vỏ quả măng cụt sau khi ray
Biểu đồ mối quan hệ giữa kích thƣớc bột vỏ măng cụt đến hiệu
suất tách tanin
Biểu đồ mối quan hệ giữa nhiệt độ chiết đến hiệu suất tách tanin
Biểu đồ mối quan hệ giữa thời gian chiết đến hiệu suất tách tanin
Biểu đồ mối quan hệ giữa tỉ lệ nƣớc : etanol đến hiệu suất tách
tanin

Trang
4
5
6
8
12
13
13
15
18
20
21
26
26
27
28
33
37
38
40
41
42
43
43
44
45
46
46
47

48
49


3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22
3.23
3.24
3.25
3.26
3.27
3.28
3.29

Chiết tạp chất bằng cloroform
Dịch chiết sau khi cô cạn
Bột tanin rắn thu đƣợc
Phổ hồng ngoại của tanin tách từ vỏ quả măng cụt
Đƣờng cong phân cực của thép CT3 trong dd NaCl 3,5% không

ngâm trong dd tanin
Đƣờng cong phân cực của thép CT3 trong dd NaCl 3,5% với thời
gian ngâm thép 10 phút trong dd tanin
Đƣờng cong phân cực của thép CT3 trong dd NaCl 3,5% với thời
gian ngâm thép 15 phút trong dd tanin
Đƣờng cong phân cực của thép CT3 trong dd NaCl 3,5% với thời
gian ngâm thép 20 phút trong dd tanin
Đƣờng cong phân cực của thép CT3 trong dd NaCl 3,5% với thời
gian ngâm thép 25 phút trong dd tanin
Đƣờng cong phân cực của thép CT3 trong dd NaCl 3,5% với thời
gian ngâm thép 30 phút trong dd tanin
Đƣờng cong phân cực của thép CT3 trong dd NaCl 3,5% với thời
gian ngâm thép 40 phút trong dd tanin
Cấu tạo phức sắt-tanat
Đƣờng cong phân cực của điện cực thép CT3 trong dd NaCl 3,5%
không tanin
Đƣờng cong phân cực của điện cực thép CT3 trong dd NaCl 3,5%,
ngâm trong dd tanin 40 mg/L
Đƣờng cong phân cực của điện cực thép CT3 trong dd NaCl 3,5%,
ngâm trong dd tanin 50 mg/L
Đƣờng cong phân cực của điện cực thép CT3 trong dd NaCl 3,5%,
ngâm trong dd tanin 60 mg/L
Đƣờng cong phân cực của điện cực thép CT3 trong dd NaCl 3,5%,
ngâm trong dd tanin 70 mg/L
Đƣờng cong phân cực của điện cực thép CT3 trong dd NaCl 3,5%,
ngâm trong dd tanin 80 mg/L
Đƣờng cong phân cực của điện cực thép CT3 trong dd NaCl 3,5%,
ngâm trong dd tanin 90 mg/L
Đƣờng cong phân cực của điện cực thép CT3 trong dd NaCl 3,5%,
ngâm trong dd tanin 100 mg/L

50
51
51
52
53
53
53
54
54
54
55
56
56
57
57
57
58
58
58
59


3.30
3.31
3.32
3.33
3.34
3.35
3.36

3.37

Đƣờng cong phân cực của điện cực thép CT3 trong dd HCl 0,1M
Đƣờng cong phân cực của điện cực thép CT3 trong dd HCl 0,2M
Đƣờng cong phân cực của điện cực thép CT3 trong dd HCl 0,3M
Đƣờng cong phân cực của điện cực thép CT3 trong dd HCl 0,5M
Đƣờng cong phân cực của điện cực thép CT3 trong dd HCl 1M
Ảnh bề mặt điện cực trƣớc và sau khi ngâm trong dd tanin
Hình ảnh bề mặt điện cực khơng ngâm tanin bị oxi hóa trong
khơng khí
Hình ảnh bề mặt điện cực ngâm tanin bị oxi hóa trong khơng khí

60
60
60
61
61
62
62
63


1

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Từ xƣa đến nay, kim loại luôn đƣợc xem là một nguyên vật liệu thiết yếu với đời
sống và sản xuất bởi những ƣu điểm nổi trội của nó nhƣ: khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt
tốt, độ bền cơ học cao, độ bền nhiệt cao, độ co ít, độ kháng kéo cao, dễ dàng chế tạo
các thiết bị, máy móc...Tuy nhiên khi tiếp xúc với mơi trƣờng bên ngồi trên bề mặt

kim loại sẽ xảy ra các q trình hóa học hoặc điện hóa học gây ra sự ăn mòn kim loại.
Các kim loại ít bị ăn mịn nhƣ vàng, bạc, platin thì đắt đỏ, trữ lƣợng nhỏ. Các kim loại
phổ biến hơn nhƣ sắt, đồng, nhơm lại dễ bị ăn mịn. Sự ăn mòn kim loại làm biến đổi
một lƣợng lớn kim loại và hợp kim của chúng thành các sản phẩm ăn mịn gây ra
những hậu quả nặng nề: biến đổi tính chất của các kim loại, ảnh hƣởng tới quá trình
sản xuất, gây thiệt hại về kinh tế và mất an toàn lao động. Theo đánh giá hàng năm của
cơ quan phát triển Liên Hiệp Quốc (UNDP), ăn mòn kim loại làm tổn thất khá lớn đối
với nền kinh tế quốc dân và chiếm tới 3% tổng sản phẩm quốc gia (GNP). Hơn nữa,
chi phí cho việc sửa chữa, thay thế vật liệu, thiết bị, phƣơng tiện bị ăn mịn khơng hề
nhỏ, chƣa kể các chi phí phát sinh khác. Hằng năm, trên thế giới phải chi hàng tỉ đô la
cho việc thay thế, bảo dƣỡng các thiết bị máy móc cơng nghiệp, các cơng trình bằng
kim loại bị ăn mịn.
Vì vậy, việc nghiên cứu ăn mịn kim loại và tìm ra giải pháp chống ăn mòn kim
loại đã, đang và sẽ là vấn đề cấp thiết đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm. Có rất nhiều
phƣơng pháp đƣợc sử dụng để chống ăn mòn khác nhau. Tuy nhiên phƣơng pháp đƣợc
sử dụng phổ biến nhất là dùng chất ức chế ăn mòn. Các chất ức chế truyền thống nhƣ
cromat, photphat, nitrit…đã đƣợc sử dụng từ lâu trong các ngành công nghiệp. Tuy
nhiên, do tính độc hại với mơi trƣờng nên việc sử dụng các chất ức chế này đã đƣợc
khuyến cáo và hạn chế sử dụng. Vì vậy việc tìm kiếm các chất ức chế không độc hại,
thân thiện với môi trƣờng đang đƣợc các nhà khoa học quan tâm, nhất là các chất có
sẵn trong tự nhiên dễ tìm, giá thành sản phẩm thấp để nghiên cứu dễ đi vào thực tiễn.
Quả măng cụt đƣợc biết đến là “nữ hồng trái cây”, ngồi hƣơng vị thơm ngon
cịn là một dƣợc liệu vô cùng quý giá. Vỏ quả đƣợc sử dụng rộng rãi trong y học dân
gian của nhiều nƣớc để chữa bệnh tiêu chảy, lỵ, vàng da…Nghiên cứu hóa thực vật
cho thấy trong vỏ măng cụt chứa 8-10% tanin. Đây là một hợp chất polyphenol có
nhiều ứng dụng đặc biệt: làm dƣợc phẩm, dùng trong công nghệ thuộc da, làm bền
màu, làm chất ức chế ăn mòn kim loại…Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng tanin
có thể đƣợc sử dụng nhƣ chống các chất ăn mòn với chi phí ít hơn nhiều, khối lƣợng
lớn vỏ măng cụt bị thải ra sau khi ăn, có thể đƣợc sử dụng để sản xuất tanin thƣơng
mại. Vì các lý do trên nên tôi chọn đề tài "Nghiên cứu chiết tách tanin từ vỏ quả

măng cụt và ứng dụng làm chất ức chế ăn mòn kim loại”.


2
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
- Xây dựng quy trình chiết tách và nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến quá
trình chiết tách tanin từ vỏ quả măng cụt.
- Nghiên cứu ứng dụng tanin từ vỏ quả măng cụt để làm chất ức chế xanh chống
ăn mòn kim loại.
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
- Vỏ quả măng cụt đƣợc thu gom lại từ các chợ trên địa bàn Đà Nẵng.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu quy trình chiết tách tanin.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình chiết tách và khảo sát khả năng ức
chế ăn mòn kim loại trong môi trƣờng NaCl 3,5%; HCl.
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
4.1. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết
- Tổng quan các phƣơng pháp nghiên cứu các đặc điểm sinh thái học của vỏ quả
măng cụt, phân loại, tính chất lý hóa học và ứng dụng của tanin.
- Nghiên cứu lý thuyết các phƣơng pháp chiết tách hợp chất hữu cơ, các phƣơng
pháp phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ, phƣơng pháp chụp SEM…
- Tham khảo các tài liệu ăn mòn kim loại, ức chế ăn mòn kim loại.
4.2. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Phƣơng pháp phân tích định tính: xác định màu sắc, hƣơng vị, trạng thái,…của
dịch chiết và sản phẩm tanin; phân loại tanin có trong dịch chiết.
- Phƣơng pháp phân hủy mẫu phân tích để xác định độ ẩm, hàm lƣợng chất hữu
cơ.
- Phƣơng pháp chiết bằng dung môi có độ phân cực phù hợp để thu tanin và khảo
sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình chiết.

- Phƣơng pháp phân tích định lƣợng xác định hàm lƣợng tanin (phƣơng pháp
Lowenthal).
- Phƣơng pháp phổ IR xác định sự có mặt một số nhóm chức đặt trƣng của tanin.
- Phƣơng pháp xác định dòng ăn mòn.
- Phƣơng pháp chụp SEM xác định bề mặt mẫu thép CT3.
- Phƣơng pháp xử lí số liệu.
5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Xây dựng quy trình chiết tách và nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình
chiết tách tanin từ vỏ quả măng cụt.
- Nghiên cứu ứng dụng tanin từ vỏ quả măng cụt để làm chất ức chế xanh chống
ăn mòn kim loại.


3
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI
6.1. Ý nghĩa khoa học
- Xác định các điều kiện phù hợp của quá trình tách chiết tanin từ vỏ quả măng
cụt.
- Khảo sát ứng dụng chống ăn mòn kim loại của sản phẩm tanin thu đƣợc.
6.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Tìm hiểu các ứng dụng quan trọng của tanin.
- Nghiên cứu này nhằm đƣa đến phƣơng án chống ăn mòn kim loại bằng chất ức
chế xanh, đơn giản, chi phí thấp, tận dụng nguồn vỏ măng cụt thải ra sau khi ăn.
7. CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Khóa luận gồm 68 trang trong đó có 11 bảng và 38 hình. Phần mở đầu (3 trang),
kết luận và kiến nghị (1 trang), tài liệu tham khảo (3 trang). Nội dung đề tài chia làm 3
chƣơng:
Chƣơng 1: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT (31 trang)
Chƣơng 2: NGUYÊN LIỆU, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU (10 trang)
Chƣơng 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN (20 trang)

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


4

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI
1.1.1. Định nghĩa ăn mòn kim loại
Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim dƣới tác dụng của môi
trƣờng xung quanh, trong đó kim loại bị oxi hóa thành ion của nó [6].

Hình 1.1. Hình ảnh các cơng trình, kết cấu bằng sắt, thép bị hư hỏng trong quá
trình sử dụng
1.1.2. Phân loại ăn mòn kim loại
a. Dựa vào cơ chế của q trình ăn mịn kim loại
Ngƣời ta chia ăn mòn kim loại thành 3 loại nhƣ sau:
* Ăn mòn hóa học: Là sự ăn mịn kim loại do q trình tƣơng tác của bề mặt kim
loại với mơi trƣờng xung quanh, xảy ra theo cơ chế của các phản ứng hóa học dị thể
nghĩa là phản ứng chuyển kim loại thành ion chỉ xảy ra ở cùng một giai đoạn.
Q trình ăn mịn hóa học chỉ xảy ra trong mơi trƣờng khơng khí khơ (SO2, CO2,
H2S, O2…) ở nhiệt độ cao hoặc trong môi trƣờng các chất không điện li dạng lỏng
(nhƣ sự ăn mòn thiết bị, nhiên liệu lỏng có lẫn các hợp chất lƣu huỳnh).
* Ăn mịn điện hóa: Là sự ăn mịn kim loại do tƣơng tác của bề mặt với môi
trƣờng xung quanh, xảy ra theo cơ chế điện hóa, tuân theo các qui luật của động học
điện hóa, xảy ra theo 2 q trình kèm theo sau đây:
- Q trình anơt là q trình chuyển kim loại vào dung dịch ở dạng các ion hiđrat
hóa.

- Q trình catơt là q trình nhận electron từ kim loại của các chất khử cực.
Đối với các kim loại tinh khiết và đồng nhất, phản ứng catôt và anơt của q
trình ăn mịn kim loại xảy ra trên cùng một diện tích bề mặt.
Đối với các kim loại không tinh khiết và đồng nhất, phản ứng catôt và anơt của
q trình ăn mịn kim loại xảy ra ở 2 vùng khác nhau trên bề mặt kim loại.


5

Vùng anot (-)
ne
Me

ne

D

+mH2O

K+

Men+ . mH2O

Dne

A-

Vùng catot (+)

Hình 1.2. Sơ đồ ăn mịn điện hóa của kim loại

* Ăn mịn vi sinh: Ăn mịn vi sinh là q trình ăn mịn các kim loại do các vi sinh
vật hay do những sản phẩm đồng hóa của chúng…có thể coi đây là trƣờng hợp đặc
biệt của dạng ăn mịn điện hóa dƣới ảnh hƣởng của vi sinh vật.
b. Dựa vào đặc trưng của mơi trường ăn mịn kim loại
Ngƣời ta chia ăn mòn kim loại thành 4 loại nhƣ sau:
* Ăn mòn khí quyển: Dạng ăn mịn các kim loại trong khí quyển hay các khí ẩm
ƣớtkhác.
* Ăn mịn trong nước biển: Ăn mòn các kim loại trong nƣớc biển nhƣ một mơi
trƣờng điện ly đặc biệt, trong đó có tác động tổng hợp của các yếu tố hóa học, vật lý và
sinhhọc.
* Ăn mịn trong mơi trường axit, trung tính hoặc kiềm
* Ăn mòn dòng dò: gây bởi sự dò điện khiến các cấu kiện kim loại ở trong đất bị
phân cực thành anôt và catôt.
c. Dựa vào đặc trưng phá hủy kim loại
Ngƣời ta chia ăn mòn kim loại thành 4 loại nhƣ sau:
* Ăn mòn đều: Xảy ra đồng đều trên tồn bộ bề mặt.
* Ăn mịn khu trú: Dạng ăn mịn này gắn liền với hình học của ranh giới kim loại
và dung dịch, đặc trƣng khái quát của dạng ăn mịn này là sự tồn tại vơ vàn các pin ăn
mịn khu trú, khơng khác mấy với dạng ăn mòn Galvani do sự ghép nối 2 kim loại bản
chất khác nhau.
* Ăn mòn Galvani: Xảy ra khi 2 kim loại khác nhau tiếp xúc nhau trong cùng
một mơi trƣờng xâm thực.
* Ăn mịn nứt: Dạng ăn mịn này thƣờng gặp khi vật liệu bị tác động của ứng suất
nội hoặc ngoại của môi trƣờng xâm thực và kết quả là vật liệu bị gãy hay bị nứt.
1.1.3. Cơ sở nhiệt động của ăn mịn điện hóa học
Để nghiên cứu nhiệt động học của ăn mịn điện hóa, ngƣời ta xây dựng các giản
đồ Pourbaix (giản đồ mô tả mối tƣơng quan giữa thế và pH của dung dịch).


6

E (V)

O2 + 2H2O + 4e

1,23

4OH(2)

0,00
+

2H + 2e

H2
(1)
pH

Hình 1.3. Giản đồ thế - pH của các điện cực hiđro và oxi
Trên giản đồ ta thấy:
Đƣờng (1), (2) biễu diễn thế cân bằng của điện cực hiđro ở áp suất 1atm.
2H+ + 2e H2
Nếu thế điện cực nào đó nằm thấp hơn đƣờng (1) thì trên điện cực đó xuất hiện
phản ứng khử: 2H+ + 2e → H2
Ở các thế cao hơn đƣờng (1) xảy ra phản ứng: H2 → 2H+ + 2e.
Nhƣ vậy: Điều kiện cần thiết để kim loại bị ăn mịn điện hóa kèm theo việc giải
phóng H2 ở 250C là: Me < 2H  = – 0,059pH
n

Me

H2

Sự ăn mịn điện hóa kèm theo sự khử ion H+ gọi là sự ăn mịn có hiện tƣợng khử
phân cực hiđro.
Đƣờng (2) mô tả thế cân bằng của điện cực oxi ở áp suất 1atm
O2 + 4e + 2H2O 4OHNếu thế của một điện cực nào đó nằm thấp hơn đƣờng (2) thì trên điện cực đó
xảy ra phản ứng:
O2 + 4e + H2O → 4OHỞ các thế cao hơn đƣờng (2) thì xảy ra phản ứng:
4OH- → O2 + 2H2O + 4e
Tƣơng tự nhƣ trên, điều kiện để kim loại bị ăn mịn điện hóa kèm theo việc giải
phóng oxi ở 25oC là: Me < O2 ,2 H2O
= 1,23 – 0,059pH
n

Me

4OH 

Tóm lại: Trong q trình ăn mịn điện hóa thì Me sẽ chuyển thành Men+, trong
khi H+ (O2) sẽ chuyển thành H2 (OH-). Lúc đó ta đƣợc nguyên tố Galvani: Men+ /Me là
anôt, điện cực hiđro (oxi) là catơt và khi pH của dung dịch tăng lên thì tốc độ ăn mịn
điện hóa kèm theo việc giải phóng hiđro và oxi càng giảm [5], [6].
1.1.4. Động học của ăn mịn điện hóa
Xét một hệ ăn mịn gồm 1 kim loại tiếp xúc với dung dịch điện phân. Quá trình
ăn mịn ở đây bao gồm phản ứng oxi hóa kim loại ở anôt và phản ứng khử ở catôt. Hệ


7
ăn mòn này tƣơng đƣơng với một pin điện bị đoản mạch do đó mọi dịng điện xuất

phát từ anơt Ia phải tới catôt Ic.
Xét về mặt động học, ăn mịn kim loại có 2 thơng số đặc trƣng là tốc độ ăn mòn
và thế ăn mòn.
a. Tốc độ ăn mịn
Nếu Sa là diện tích khu vực anơt thì: Ia/m = Ia= ia.Sa
Trong trƣờng hợp ăn mịn khơng kèm theo sự tạo lớp oxit và ăn mòn bị khống
chế bởi q trình chuyển điện tích, có thể vận dụng phƣơng trình Volmer–Bulter đối
với mật độ dịng ia, ic.
Ia/m = Ia = Sa.ia = Sa.iO,M.exp[(1 – α)nFηMe/RT]
Ở đây: iO, M là dòng trao đổi của phản ứng Men+ + ne Me;
α là hệ số chuyển (0 < α <1)
ηM là quá thế hoạt hóa của sự hịa tan kim loại ηMe= φa/m – φMe có giá trị dƣơng.
Tƣơng tự đối với phản ứng khử catơt trên kim loại ăn mịn ta có
Ia/m = Ic = Sc.ic = Sc.iO,D.exp [–αDnFηD/RT]
Ở đây iO, D là dòng trao đổi của phản ứng D + ne Dne
α là hệ số chuyển (0 < α < 1);
ηM là quá thế hoạt hóa của phản ứng khử ở catơt ηD = φa/m – φD có giá trị âm.
Để đơn giản hóa mà khơng làm mất ý nghĩa của phản ứng ăn mịn, giả thiết rằng
α = ½ và có 1e trao đổi trong phản ứng catơt và anơt. Khi đó:
ia= iO,M . exp [FηM/2RT] = iO,M . exp [φa/mF/2RT]. exp[– φMeF/2RT]
ic= iO,D . exp [– FηD/2RT] = iO,D . exp [– φa/mF/2RT]. exp[φDF/2RT]
Vì Ia/m = Ia= Ic = ia.Sa= ic.Sc=

iaic Sa Sc

Thay ia và ic ta đƣợc cƣờng độ dòng ăn mòn:
F
Ia/m = Sa Sc . io,M .io, D .exp {
.[φD – φMe]}
2 RT

(1.1)

Phƣơng trình (1.1) cho thấy độ lớn của cƣờng độ dòng ăn mòn phụ thuộc vào
diện tích và các yếu tố cân bằng nhƣ dòng trao đổi và các thế Nernst. Về yếu tố diện
tích, tỉ số

Sc
càng lớn thì tốc độ ăn mịn càng lớn. Thực vậy, tốc độ ăn mòn:
Sa

va/m =

Ia
iS
ia
i
, vậy: va/m =
= c c = c
S a .nF S a .nF nF
nF

Bằng cách biến đổi thích hợp định luật Faraday, tốc độ ăn mịn cịn đƣợc biểu thị
theo phƣơng trình sau: va/m =

M
.ia/m
Z .D.F

Trong đó: M là khối lƣợng mol của kim loại, Z là hóa trị của kim loại, D là khối

lƣợng riêng của kim loại, F = 96500 C, ia/m tính bằng A/m2


8
b. Thế ăn mòn
Khi Ia = Ic = Ia/m ta có điện thế tƣơng ứng là thế ăn mịn
φa/m Sa.iO,M . exp [(1 – α)nFηM/RT] = Sc.iO,D.exp[– αDnFηD/RT]
Theo trên ta có:
Sa.iO,M.exp[φa/mF/2RT].exp[– φMF/2RT] = Sc.iO,D.exp[–φa/mF/2RT].exp[φDF/2RT]
 F   F 
 F
exp  a / m  =  a / m  .exp 
M  D 
 RT 

hoặc φa/m =

 2 RT

 RT 

RT  Sc .iO , D
ln 
F  Sa .iO , M




 + ½ (φM + φD)


1.1.5. Giản đồ Pourbaix của sự ăn mòn sắt ở 25oC
Nhiệt động của q trình ăn mịn Fe trong nƣớc ở 25oC đƣợc biểu diễn nhƣ Hình 1.4.
Các phản ứng quan trọng và các phƣơng trình cân bằng ở điều kiện: 10-6 (mol/L)
= – 0,44 V.

2

Fe

(2)

Fe3+

Ăn mịn

c

O2

(7)

H2 O

0,77
a

2+
Fe
k

+

d

Fe2O3

H
H2

(6)

Thụ đơng

E(V)

(4

4
4b
Fe3O4
-0,44
3
4
Fe
(5)
4
4)
0
pH

))
Hình 1.4. Giản đồ Pourbaix đối với Fe cho sự )ăn mòn sắt ở 25oC

(1)

Miễn trừ

0
 Fe


9
Bảng 1.1. Các phương trình phản ứng xảy ra trong hệ
PHẢN ỨNG
PHƢƠNG TRÌNH
+
φ = – 0,059pH (V)
H2 2H + 2e
φ= 1,23 – 0,059pH (V)
2H2O O2 + 4H+ + 4e
2+
Fe Fe + 2e
φ = – 0,44 + 0, 059 lg [Fe2+]

ĐƢỜNG
ab
cd
(1)

2

= – 0,617 (V)
Phản ứng thủy phân
Fe + 2H2O Fe(OH)2 + 2H
2Fe2+ + 3H2O Fe2O3 + 6H+ + 2e φ = 1,44 – 0,177pH (V)
φ = 6,65 – 0,5lg[Fe2+] = 9,65 (V)
3Fe2++4H2O Fe3O4 + 8H+ + 2e
2Fe2+ + 3H2O Fe2O3 + 6H+ + 2e φ = –0,05 – 0,059pH (V)
2Fe3O4 + H2O
3Fe2O3 + 2H+ + φ = 0,27 – 0,059pH (V)
2e
φ = 0,77 (V)
Fe2+ Fe3+ + 1e
3+

+

+

(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)

Ý nghĩa của giản đồ E – pH
Giản đồ E - pH của một nguyên tố kim loại thƣờng có 3 vùng:
 Vùng miễn trừ: Là vùng mọi sự ăn mịn kim loại khơng thể xảy ra về mặt
nhiệt động vì kim loại bền trong vùng này.

 Vùng ăn mòn: Là vùng sự ăn mòn kim loại có thể xảy ra về mặt nhiệt động
và dẫn tới các chất tan đƣợc hay thấm nƣớc, điều này cho phép tiếp tục sự oxi hóa kim
loại.
 Vùng thụ động: Là vùng sự ăn mịn kim loại có thể xảy ra về mặt nhiệt động
nhƣng ở đó oxit tạo thành một lớp không thấm nƣớc làm cho việc ăn mịn tiếp tục là
vơ cùng chậm.
Từ giản đồ trên ta rút ra 3 nguyên tắc chống ăn mòn kim loại:
 Phân cực thế kim loại về phía âm hơn thế tại đó kim loại bị ăn mịn bằng dịng
catot bên ngồi. Đó là phƣơng pháp bảo vệ catơt.
 Phân cực thế điện cực về phía dƣơng hơn thế ăn mịn bằng dịng anơt bên
ngồi đến một giá trị nào đó kim loại sẽ rơi vào trạng thái thụ động. Đó là phƣơng
pháp bảo vệ anơt.
 Có thể chuyển pH sang phải để kim loại rơi vào vùng thụ động, nghĩa là thay
đổi mơi trƣờng có thể làm cho sự ăn mòn kim loại dừng lại [5], [6].
1.1.6. Các yếu tố ảnh hƣởng tới sự ăn mịn điện hóa
Oxi (trong khơng khí) và nƣớc (khơng khí ẩm) là những tác nhân khơng thể thiếu
gây nên sự ăn mịn kim loại. Ngồi ra cịn có những yếu tố khác ảnh hƣởng lớn đến tốc
độ ăn mòn:


10
Các tạp chất trong kim loại nhƣ cacbon, các kim loại kém hoạt động, các oxit,
các muối sunfua…làm tăng sự ăn mịn. Các kim loại ngun chất ít bị rỉ hơn là các
kim loại chứa tạp chất.
Sự có mặt của các chất điện li đặc biệt là nƣớc biển, môi trƣờng có các khí SO2,
NO2 …
Sự gia cơng kim loại, vì ngƣời ta đã biết rằng, trong thanh kim loại, nơi nào chịu
một sức căng (chẳng hạn chịu dập, uốn cong…) thì ở đấy các nguyên tử kim loại “hoạt
động” hơn và hình thành vùng anơt, ở đó kim loại bị ăn mòn trƣớc [5], [6].
1.1.7. Ăn mòn thép trong nƣớc sông và nƣớc biển

a. Thành phần của nước sông và nước biển
Nƣớc sông và nƣớc biển là những dung dịch chất điện li. Trong nƣớc biển có rất
nhiều loại muối hòa tan nhƣ trong Bảng 1.2.
Bảng 1.2. Thành phần các muối hòa tan trong nước biển
Muối
Thành phần (%)
Muối
Thành phần (%)
NaCl
77,8
K2SO4
2,5
MgCl2
10,9
CaCO3
0,3
MgSO4
4,7
MgBr2
0,2
CaSO4
3,6
Độ dẫn điện của nƣớc biển rất cao, hàm lƣợng Cl- khá lớn. Vì vậy, q trình ăn
mịn xảy ra trong nƣớc biển rất mãnh liệt. Sắt, gang, thép không có khả năng thụ động
trong nƣớc biển.
Khác với nƣớc biển, nƣớc sơng có thành phần rất khác nhau tùy theo điều kiện tự
nhiên hình thành sơng cũng nhƣ do tác động của con ngƣời. Nói chung, chỉ số pH của
nƣớc sông cao hơn 7, nghĩa là hơi kiềm.
b. Sơ lược về thép CT3
Thép CT3 thuộc nhóm thép chất lƣợng thƣờng, C là Cacbon, T là thép, “3” là

giới hạn bền chịu kéo tối thiểu (kg/mm2).
Bảng 1.3. Thành phần (%) các nguyên tố trong thép CT3
Fe
C
Mn
Si
P
S
Ni
Cu
Thành phần
98,88 0,06 0,25 0,12 0,04 0,05 0,3
0,3
%
Thép CT3 ngồi thành phần chính là hợp kim sắt – cacbon còn chứa 1 lƣợng nhỏ
các nguyên tố nhƣ: Mn, P, Si, S, các nguyên tố này đƣợc coi là tạp chất thƣờng, trong
đó Mn, Si làm tăng cơ tính của thép, P và S (≤ 0,13%) làm cho thép dịn và khó hàn.
Ngồi ra cịn có 1 lƣợng nhỏ các nguyên tố Cr, Ni, Cu (≤ 0,02%) gọi là hợp chất ngẫu
nhiên nâng cao cơ tính của thép. Độ bền và độ cứng của thép phụ thuộc vào thành
phần cacbon, thành phần cacbon tăng lên thì độ cứng tăng nhƣng độ dẻo và độ dai
giảm.


11
Thép CT3 có ƣu điểm là: có cơ tính nhất định, có tính cơng nghệ tốt nhƣ dễ đúc,
hàn, cán, rèn, dập, kéo sợi, gia công, cắt, gọt [8], [10].
c. Ăn mịn thép trong nước
Trong khơng khí ẩm cũng nhƣ trong mơi trƣờng nƣớc ln hịa tan khí O2 và khí
CO2 trong khí quyển tạo thành một dung dịch chất điện li. Sắt và các tạp chất (chủ yếu
là C) cùng tiếp xúc với dung dịch đó tạo nên vơ số pin rất nhỏ mà sắt là anôt và cacbon

là catơt.
Tại vùng catơt có các phản ứng xảy ra nhƣ sau: 2H2O + O2 + 4e 4OH-

Ocb .2 H O
2

2

=
4 OH 

O0 .2 H O
2

2

+ 0, 059 lg
4 OH 

4

PO2
OH  

4

Với pH = 7, PO = 0,2 atm; T = 298K thì Ocb2 .2 H 2O
2

2H2O + 2e

2cbH



H2

0
= 2H


= 0,81V
4 OH 

H2 + 2OH+
H2

PH 2
0, 059
lg
2
2
OH  

0
Với pH = 7, PH = 1atm, T = 273K, ta có: 2H

2

Tại vùng anơt có phản ứng sau xảy ra: Fe

= 0,413V
H2

Fe2+ + 2e  0

Fe

= – 0,44V

2

Fe

Vậy thép dễ bị ăn mòn trong nƣớc ở điều kiện thƣờng.Các cation Fe 2+ di chuyển
từ vùng anôt qua dung dịch điện li đến vùng catơt. Ở đó, nó kết hợp với ion OH - để tạo
thành sắt (II) hiđroxit. Sắt (II) hiđroxit lại tiếp tục bị oxi hóa thành sắt (III) oxit tạo rỉ
sắt màu đỏ nâu.
4Fe(OH)2 + O2 → 2Fe2O3.H2O + 2H2O
Thật ra, rỉ sắt là hợp chất hiđrat của sắt (III) oxit và hiđroxit có thành phần nƣớc
khơng xác định mà phụ thuộc vào mơi trƣờng tạo ra nó. Chẳng hạn, rỉ sắt ở khu công
nghiệp khác ở nông thôn.
Phản ứng tạo rỉ sắt có thể viết nhƣ sau:
2Fe(r) + 3/2O2 + xH2O(l) Fe2O3.xH2O(r)
Trong môi trƣờng axit, tốc độ ăn mịn phụ thuộc vào những phản ứng ở catơt:
2H2O + O2 + 4e 4OH2H2O + 2e H2 + 2OHTrong tự nhiên, nƣớc sơng và nƣớc biển có tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào phần
lớn lƣợng oxi hòa tan, lƣợng Cl-, Br-…trong nƣớc [5], [6], [16].
1.1.8. Các phƣơng pháp bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn
Do tầm quan trọng của việc phải bảo đảm tốt cho vật liệu bằng kim loại và hợp
kim có tuổi thọ cao nhất trong thời gian sử dụng cũng nhƣ tính an tồn của vật thể, đặc