Ảnh hưởng của một số chất vô cơ, hữu cơ dạng đơn và tổng hợp đến quá trình ăn mòn thép CT3 trong môi trường axit

Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

Trờng Đại học Vinh

khoa hoá học

------- ------

NGuyễn hoàng hào

khoá luận tốt nghiệp đại học

ảnh hởng của một số chất vô cơ, hữu cơ dạng
đơn và tổng hợp đến quá trình ăn mòn thép CT3
trong môi trờng axit

Chuyên ngành: hoá lý

Nguyễn Hoàng Hào

1

Lớp 43A Hãa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

vinh, 2006

-------------

Mở đầu
Trong tiến trình phát triển của Khoa học và công nghệ, bên cạnh sự ra đời
của những vật liệu mới, chúng ta vẫn không thể phủ nhận vai trò vô cùng quan
trọng của kim loại trong hầu hết mọi lĩnh vực của cuộc sống. Nhng ngay từ
khi bắt đầu sử dụng kim loại con ngời đà phải đối mặt với vấn đề: Kim loại
sau một thời gian làm việc đà bị han gỉ, mòn vẹt, tính năng sử dụng bị biến
đổi. Khoa học gọi hiện tợng này là ăn mòn kim loại. Các kết cấu kim loại để
trong không khí, trong đất, trong dung dịch điện li sau một thời gian làm việc
bị han gỉ, h hỏng. Theo tỷ lệ [1] tổng kết: Khối lợng kim loại bị loại bỏ chiếm
gần1/3 tổng sản lợng kim loại sản xuất đợc dùng hàng năm trên thế giới.
Trong số đó khoảng trên 2/3 số kim loại này có thể tái sử dụng đợc. Nh vậy
phần kim loại bị ăn mòn không thể sử dụng đợc chiếm gần 1/10 tổng sản lợng.
Tổn thất do ăn mòn kim loại hàng năm chiếm 1,85% đến 4,8% tổng thu nhập
Quốc dân (GDP) [7]. Ngoài thiệt hại trực tiếp về vật chất, ăn mòn kim loại còn
gây những thiệt hại gián tiếp khác nh: Thiếu an toàn lao động, giảm độ bền
máy móc, chất lợng sản phẩm, gây ô nhiễm môi trờng cha kể đến những chi
phí sửa chữa máy móc, trang thiết bị bằng kim loại.
Do đó vấn đề chống ăn mòn và bảo bệ kim loại có ý nghĩa rất quan trọng.
Khoảng hơn 40 năm trở lại đây việc nghiên cứu và áp dụng các phơng pháp
bảo vệ kim loại đà đợc một số trung tâm nghiên cứu quan tâm và thực hiện
trên phạm vi rộng. Đặc biệt là hớng nghiên cứu khả năng ức chế ăn mòn thép
trong môi trờng axit của một số hợp chất hữu cơ và vô cơ, dạng đơn và tổng
hợp ®Ĩ tõ ®ã cã thĨ lùa chän nh÷ng chÊt øc chế hoặc hỗn hợp chất ức chế có
khả năng bảo vệ kim loại cao nhất. Chính vì vậy, chúng tôi chọn đề tài: "ảnh
hởng của một số chất vô cơ, hữu cơ dạng đơn và tổng hợp đến quá trình ¨n
Ngun Hoµng Hµo

2

Líp 43A Hãa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

mòn thép CT3 trong môi trờng axit". Cụ thể, chất hữu cơ urotropin và chất
vô cơ muối đồng clorua, là những chất ức chế mà chúng tôi tiến hành nghiên
cứu trong khoá luận này.
Mục tiêu của đề tài
+ Xác định tốc độ ăn mòn thép CT3 trong HCl khi có urotropin và cation
Cu2+, ở một số nồng độ, dạng riêng lẻ và phối hợp để từ đó xác định đợc ở
nồng độ các chất đợc nghiên cứu có tác dụng ức chế lớn nhất.
+ Xem xét, đánh giá hiệu ứng tăng cờng khi phối hợp chất ức chế vô cơ
và hữu cơ.
Các phơng pháp nghiên cứu là:
+ Phơng pháp trọng lợng.
+ Phơng pháp thể tích.
+ Phơng pháp điện hoá.
Đây là vấn đề đợc nhiều trung tâm nghiên cứu quan tâm.Chúng tôi hy
vọng sẽ góp phần vào việc mở rộng hớng nghiên cứu nµy.

Ngun Hoµng Hµo

3

Líp 43A Hãa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

Phần I: Tổng quan tài liệu
Chơng I: ăn mòn kim loại
I.1.1. Định nghĩa:
Ăn mòn kim loại là hiện tợng phá huỷ các vật liệu kim loại do tác dụng
hoá học hoặc tác dụng điện hoá giữa kim loại với môi trờng bên ngoài.
I.1.2. Phân loại [1]
Có nhiều cách phân loại quá trình ăn mòn theo quá trình ăn mòn, theo
môi trờng ăn mòn hoặc theo đặc tính phá huỷ. Chủ yếu ngời ta phân loại theo
quá trình ăn mòn:
- Ăn mòn hoá học: Là quá trình phá huỷ kim loại do tác dụng hoá học
của môi trờng với kim loại. Ăn mòn hoá học xảy ra trong môi trờng không
dẫn điện nh không khí khô và dung dịch dạng lỏng. Đặc điểm của ăn mòn hoá
học là không phát sinh dòng điện, sản phẩm của quá trình ăn mòn nằm ngay
trên bề mặt kim loại tiếp xúc với môi trờng.
- Ăn mòn điện hoá: Là quá trình ăn mòn do phản ứng điện hoá xảy ra ở
hai vùng khác trên bề mặt kim loại. Ăn mòn điện hoá xảy ra trong môi trờng
dẫn điện. Đặc điểm của ăn mòn điện hoá gắn liền với sự phát sinh dòng điện.
Phân loại theo môi trờng ăn mòn gồm:
- Ăn mòn trong không khí.
- Ăn mòn trong đất.
- Ăn mòn trong dung dịch. Tuỳ theo tính chất của dung dịch điện ly ngời
ta chia ra:
+ ¡n mßn trong axit.

+ ¡n mßn trong kiỊm.
+ ¡n mßn trong dung dịch muối.
Hoặc dựa theo đặc tính phá huỷ bề mặt kim loại, ngời ta chia làm các
dạng ăn mòn đều, ăn mòn cục bộ, ăn mòn rạn nứt, ăn mòn lựa chọn...
Nguyễn Hoàng Hào

4

Lớp 43A Hóa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

I.1.3. Các chỉ tiêu đánh giá mức độ ăn mòn kim loại [2].
Để đánh giá mức độ ăn mòn kim loại, ngời ta dựa vào một số chỉ tiêu nh:
- Khuynh hớng ăn mòn: Kr là thời gian xuất hiện vết ăn mòn đầu tiên trên
một đơn vị diện tích bề mặt kim loại.
- Vết ăn mòn: Kn số lợng vết ăn mòn xuất hiện trên một đơn vị diện tích
trong một đơn vị thời gian (mm/năm).
- Thay đổi khối lợng:
Km =

m
S .t

( g / m .h )
2

m : độ biến thiên khèi lỵng mÉu thÝ nghiƯm (g)

S: DiƯn tÝch mÉu thÝ nghiƯm (m2).
t: Thêi gian tiÕn hµnh thÝ nghiƯm (h)
- ThĨ tích ăn mòn:
Kv =

V
S .t

( ml / cm .h )
2

V: ThĨ tÝch khÝ
S: DiƯn tÝch mÉu
t: Thêi gian thÝ nghiƯm.
- Thay đổi tính chất cơ học:
K =

n
.100% trong thời gian t
( B ) o

B : Độ bền cơ học.

- Thay đổi điện trở:
KR =

R
.100%

Ro

trong thời t

R: Điện trở mẫu kim loại.
Tuỳ thuộc bản chất vật liệu, bản chất và thành phần của môi trờng làm
việc, phơng pháp nghiên cứu và nhu cầu sử dụng mà lựa chọn các chỉ tiêu
đánh giá phù hợp.

Nguyễn Hoàng Hào

5

Lớp 43A Hóa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

Chơng II: Ăn mòn điện hoá
I.2.1. Định nghĩa và phân loại.
I.2.1.1. Định nghĩa.
Ăn mòn điện hoá là quá trình phá vỡ cấu trúc kim loại do phản ứng điện
hoá xảy ra ở hai vùng khác nhau trên bề mặt kim loại. Ăn mòn điện hoá chỉ
xảy ra trong môi trờng dẫn điện, luôn gắn liền với sự hình thành các vipin
đoản mạch: vi catôt và vi anôt nối trực tiếp với nhau. Quá trình ăn mòn này
làm xuất hiện dòng electron chuyển động trong kim loại và dòng ion chuyển
động trong dung dịch điện ly theo hớng từ vùng điện cực này sang điện cực
khác, do đó phát sinh dòng điện. nh vậy, hoá năng đà biến đổi thành điện

năng.
I.2.1.2. Phân loại.
Theo nguyên nhân gây ra sự chênh lệch thế giữa các vùng khác nhau
trong kim loại [2].
- Nguyên tố ăn mòn loại I (pin galvanic): Sự chênh lệch thế do hai vùng
kim loại khác nhau nằm trong cùng một dung dịch điện ly. Nguyên nhân là do
pha rắn không đồng nhất: Kim loại không tinh khiết, hợp kim, thành phần hạt
và biên hạt khác nhau...
- Nguyên tố ăn mòn loại II (pin nồng độ): Kim loại đồng nhất nằm trong
dung dịch điện ly không đồng nhất (giữa các phần dung dịch khác nhau có sự
khác nhau về nồng độ các chất điện ly, nồng độ các khí hoà tan).
- Nguyên tố ăn mòn loại III: Kim loại không đồng nhất nằm trong dung
dịch điện ly không đồng nhất. Loại này thờng gặp trong tự nhiên vì thực tế
không có dung dịch lý tởng và không có kim loại hoàn toàn tinh khiết.
I.2.2. Cơ sở động học điện hoá của quá trình ăn mòn [1]
Khi nhúng một thanh kim loại không đồng nhất vào dung dịch điện ly các
quá trình xảy ra nh sau:

Ngun Hoµng Hµo

6

Líp 43A Hãa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

I.2.2.1. Quá trình anôt:

M - ne -> Mn+
ở bề mặt kim loại tiếp xúc với dung dịch điện ly, kim loại nhờng
electron, ion kim loại tạo thành bị hiđrat hoá chuyển vào trong dung dịch, để
lại electron trên bề mặt kim loại, bề mặt kim loại d điện tử. Hệ ion kim loại
tạo thành một điện cực. ở trạng thái cân bằng, thế điện cực đợc tính theo phơng trình Nemst:
M = 0 +

(

RT
n
. ln a M+
n.F

)

0, M: Thế điện cực cân bằng ở điều kiện chuẩn vào điều kiện
nghiên cứu.
aMn+: hoạt độ ion Mn+
Nếu đặt vào hệ một điện thế ' khác giá trị điện thế cân bằng thì cân
bằng bị phá vỡ, phản ứng điện hoá xảy ra tạo một cân bằng mới.
+ Nếu ' > : điện thế chuyển về phía dơng hơn thì xảy ra quá trình oxi
hoá, kim loại bị ăn mòn.
+ Nếu ' < : điện thế chuyển về phía âm hơn thì xảy ra quá trình khử,
kim loại không bị ăn mòn.
I.2.2.2. Qúa trình catôt.
Chất khử cực D có thể là nguyên tử hoặc phân tử nhận electron trên bề
mặt kim loại:
D + n.e -> [D.ne]
Trong thực tế ta thờng gặp tác nhân khử cực chủ yếu là ion hidroxi

H3O+ và oxi, tơng ứng với cơ chế ăn mòn với sự khử phân cực hiđro và ăn mòn
với sự khử phân cực oxi.
* Ăn mòn với sự khử phân cực hiđro.
Là quá trình kim loại bị ăn mòn do sự phóng điện của ion H 3O+ trên
catôt để giải phóng khí H2.
Qúa trình này xảy ra trong môi trờng axit: ion H3O+ dến sát điện cực,
nhận điện tử, tạo thành khí H2 qua hai giai đoạn:
Nguyễn Hoàng Hào

7

Lớp 43A Hóa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

2H+ + 2e -> 2H
2H -> H2
Đơn giản:

2H+ + 2e -> H2

Điện thế điện cực tính theo phơng trình Nernst.


cb
2H +

=
H2

0
2H +

H2

2
RT a H +
+
. ln
2F
PH 2

2
RT a H +
=
. ln
2F
PH 2

ë 250C:

cb
ϕ 2H

= 0,059. lg

+

aH +

H2

p 1 /22
H

ë ®iỊu kiƯn thêng áp suất riêng phần của H2 trong dung dịch nớc là PH
=5.10-7atm. Biết pH của dung dịch ta sẽ tính đợc 2 H

2

cb

+

H2

*Ăn mòn với sự khử phân cực oxi:
Kim loại bị ăn mòn do oxi là tác nhân phản ứng khử phân cực catôt.
Quá trình này xảy ra cả trong môi trờng axit, kiềm và trung tính. Oxi khuếch
tán từ không khí vào dung dịch đến sát điện cực thì xảy ra quá trình khử oxi:
+ Môi trờng kiÒm, trung tÝnh:
ϕ0 = 0,43V.

O2 + H2O + 4e -> 4OH-

Điện thế điện cực cân bằng tính theo phơng trình Nernst:
cb

0
ϕ H 2 = ϕ O2 +

ë 250C:

PO
RT
ln 4 2
4 F aOH −

cb
ϕ H 2 = 0,43 +

0,059 PO2
0,059
W
lg 4 = 0,43 +
lg PO2 − 0,059 lg
4
4
aH +
aOH −

+ M«i trêng axit:
0
ϕ O2 = 1,23V

O2 + 4H+ + 4e -> 2H2O

Điện thế điện cực cân bằng tính theo phơng trình Nernst:

cb
0
ϕH = ϕO +
2

Ngun Hoµng Hµo

2

RT
4
ln PO2 .a H +
4F

8

Líp 43A Hãa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

ở 250C:
0,059
4
ln PO2 .a H +
4
0,059
= 1,23 +

lg PO2 + 0,059 lg a H +
4

cb
ϕ H 2 = 1,23 +

ë 250C, ¸p suất riêng phần của oxi trong dung dịch nớc
P o 2 = 0,21 atm
Bảng 1: Thế của O2 và H2 trong các môi trờng ở 250C
0
0,186

pH
7
-0,228

14
-0,640

1
0,21

0,000
1,218

-0,414
0,865

-0,828
3,391

1

1,230

0,815

0,400

áp suất
PH2

5.10

-7

PO2

Khi quá trình ăn mòn điện hoá xảy ra, có sự dịch chuyển các điện tử d
từ vùng anôt sang vùng catôt bù lại số điện tử đà bị các chất khử tiêu thụ. Các
ion trong dung dịch chuyển động theo chiều ngợc lại. Vùng catôt và anôt lập
thành một vi pin.
Năng lợng tự do cđa hƯ: ∆G = -n.F.E
n: Sè electron trao ®ỉi.
F: h»ng sè Fraday
E: søc ®iƯn ®éng cđa vi pin
cb
cb
E = D M

Điều kiện để quá trình ăn mòn xảy ra lµ ∆G < 0
cb
cb
cb
cb
Do n > 0, F > 0 nªn E >0 hay ( ϕ D − ϕ M ) > 0 nªn ϕ D > ϕ M

Nh vËy, điều kiện nhiệt động để xảy ra quá trình ăn mòn kim loại là điện
thế cân bằng của kim loại bị ăn mòn phải âm hơn điện thế căn bằng của chất
khử cực.
Từ điều kiện nhiệt động trên, ta có thể dự tính đợc quá trình ăn mòn điện
hoá có hoặc không có khả năng tự xảy ra trong điều kiƯn cho tríc.

Ngun Hoµng Hµo

9

Líp 43A Hãa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

cb
cb
Bảng 1 cho thấy O luôn dơng hơn so với H ngay cả trong môi trờng
2

2

axit. Do đó ăn mòn với sự khử phân cực oxi phổ biến hơn.
1.2.3. Các yếu tố ảnh hởng.
- Các nhân tố thuộc về kim loại gọi là các nhân tố bên trong
- Các nhân tố thuộc về môi trờng gọi là các nhân tố bên ngoài
I.2.3.1. Các nhân tố bên trong.
a. Độ bền nhiệt động của kim loại
Kim loại bị ăn mòn điện hoá khi nó đóng vai trò điện cực anôt trong cặp
nguyên tố Ganvanic. Một kim loại bền về nhiệt động thì không bị ăn mòn.
Phần lớn kim loại không bền nhiệt động trong không khí, trong các dung dịch
điện ly.
b. Vị trí của kim loại trong bảng tuần hoàn Mendeleep.
Tính chất hoá học của các nguyên tố là một trong những ảnh hởng đến
tốc độ ăn mòn điện hoá. Do đó tốc độ ăn mòn điện hoá của kim loại phụ thuộc
vào vị trí của nó trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học.
c. Cấu tạo và tính chất của hợp kim
Trong kỹ thuật, công nghiệp và dân dụng ngời ta ít sử dụng kim loại
nguyên chất mà thờng dùng hợp kim để chế tạo thiết bị, kết cấu máy móc. Độ
bền ăn mòn điện hoá của hợp kim phụ thuộc vào thành phần hoá học và cấu
trúc của nó. Ngời ra thờng dùng các nguyên tố dễ bị thụ động hoá và tạo nên
tính đồng nhất, tăng tính bền làm nguyên tố hợp kim nh Cr, Ni, Si, V...
d. Đặc tính ứng suất.
ứng suất hoặc biến dạng trong kim loại xuất hiện trong quá trình gia
công cha khử bỏ đợc hoặc xuất hiện trong quá trình làm việc của thiết bị, máy
móc.
Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào trạng thái ứng suất (kéo hoặc nén) đặc tính
biến đổi của ứng suất (tải trọng động).
e. Trạng thái bề mặt của kim loại.

Nguyễn Hoàng Hào

10

Lớp 43A Hóa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

ảnh hởng của trạng thái gia công bề mặt đến tốc độ ăn mòn chủ yếu là
giai đoạn đầu của quá trình ăn mòn kim loại trong môi trờng xâm thực yếu.
1.2.3.2. Các nhân tố bên ngoài.
a. Độ pH của môi trờng có thể ảnh hởng trực tiếp hoặc gián tiếp.
+ ảnh hëng trùc tiÕp: Khi ion H+ hc OH- trùc tiÕp tham gia vào quá
trình điện cực, làm thay đổi thế điện cực (khử phân cực hiđro, oxi) thì độ pH
có ảnh hởng trực tiếp đến tốc độ ăn mòn.
+ ảnh hởng gián tiếp: Độ pH có thể chỉ ảnh hởng gián tiếp đến tốc độ ăn
mòn khi sự thay đổi pH làm thay đổi khả năng tạo màng thụ động hoặc hoà
tan sản phẩm ăn mòn làm mất khả năng bảo vệ màng.
b. Thành phần và nồng độ của dung dịch điện ly trung tính.
Tốc độ ăn mòn điện hoá phụ thuộc vào bản chất của dung dịch muối tan
và nồng độ của muối trong dung dịch.
+ Nếu muối ôxi hoá có tác dụng thụ động hoá kim loại nh: Muối clrorat,
cromat, nitrit... thì khi tăng nồng độ của nó trong dung dịch, tốc độ ăn mòn
giảm đi và khi tăng đến một giá trị nhất định nào đó, quá trình ăn mòn gần nh
bị ngăn cản hoàn toàn.
+ Nếu muối oxi hoá có tác dụng khử phân cực catôt (các muối
pesunfat...) thì khi tăng nồng độ của muối, trị số phân cực catôt giảm đi và do
đó sẽ làm tăng tốc độ ăn mòn.

+ Các muối hoà tan có khả năng tác dụng đợc với kim loại tạo nên sản
phẩm ăn mòn khó hoà tan bám trên bề mặt kim loại thì khi tăng nồng độ, tốc
độ ăn mòn cũng giảm đi đo đợc màng bảo vệ.
+ Bản chất cation và anion cũng ảnh hởng đến tốc độ ăn mòn. Nếu các
anion của muối có khả năng hấp phụ lên bề mặt kim loại làm thay đổi cơ cấu
của lớp điện tích kép thì nó làm giảm điện thế điện cực của kim loại, do đó
làm giảm tốc độ ăn mòn. Ngợc lại, nếu anion có hoạt tính lớn, có khả năng
phá huỷ màng thụ động thì nó làm tăng tốc độ ăn mòn.
c. Nhiệt độ và áp suất môi trờng.
- ảnh hởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ thay đổi làm tốc độ khuếch tán
của các chất khử phân cực thay đổi, quá thế của quá trình điện cực thay đổi,

Nguyễn Hoàng Hào

11

Lớp 43A Hóa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

khả năng thụ động hoá kim loại thay đổi, độ hoà tan sản phẩm và các chất khử
phân cực thay đổi và do đó gây ảnh hởng khá lớn đến tốc độ ăn mòn điện hoá.
- ảnh hởng của áp suất:
+ Thay đổi áp suất trên bề mặt dung dịch làm thay đổi tốc độ hoà tan của
khí trong dung dịch nên ảnh hởng đến tốc độ ăn mòn (Quá trình khử phân cực
oxi, khử phân cực hiđrô).
+ Thay đổi áp suất làm thay đổi quá trình thuỷ phân, do đó ảnh hởng đến

độ pH của môi trờng và ảnh hởng đến tốc độ ăn mòn. Ví dụ: Thuỷ phân muối
Na2CO3 tạo ra CO2bay lên. Khi tăng áp suất làm ngăn cản quá trình thuỷ phân,
do đó pH của môi trờng thay đổi.
+ Thay đổi áp suất có thể làm tăng ứng suất trong thiết bị đến mức làm
tăng nguy cơ nứt nẻ do ăn mòn.
d. Tốc độ chuyển động của dung dịch điện ly.
Trong công nghiệp, nhiều thiết bị máy móc làm việc trong dòng chuyển
động của dung dịch điện ly nh: bơm, van, đờng ống, bể chứa, tháp hấp phụ,
cách khuấy,.... ảnh hởng của tốc độ ăn mòn rất phức tạp.
e. ảnh hởng của dòng điện tản (dòng điện rò)
Dòng ®iƯn tõ c¸c ngn ®iƯn kh¸c nhau ®i qua ®Êt hoặc qua các thiết bị
đặt ngầm dới đất gọi là dòng điện tản hay điện rò.
Quá trình ăn mòn do dòng điện tản chủ yếu là do nguồn điện một chiều
gây ra.
f. ảnh hởng của cấu tạo thiết bị.
Cấu tạo thiết bị không hợp lý có thể gây nên những vùng ứng suất cao
không cần thiết.
Kết cấu hợp lý một trong những biện pháp chống ăn mòn hiệu quả.

Chơng 3
Bảo vệ kim loại - các biện pháp chống ăn mòn điện hoá

Nguyễn Hoàng Hào

12

Lớp 43A Hóa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

I.3.1. Nguyên tắc:
Để bảo vệ kim loại và chống ăn mòn ngời ta thờng tiến hành các biện
pháp theo hớng giảm tác động của môi trờng với kim loại qua xử lý môi trờng,
cách ly vật liệu với môi trờng, kết cấu hình dạng hợp lý, cải tạo vật liệu tăng
độ bền...
Ngời ta đánh giá hiệu suất bảo vệ kim loại bằng hệ số kìm hÃm . Giá trị
cho biết tốc độ ăn mòn giảm đi bao nhiều lần:
=

V0
V'

(1)

Hiệu suất bảo vệ còn đợc tính theo % mức độ bảo vệ
Z% =

Trong đó:

V0 V '
.100%
V0

(2)

V0: tốc độ ăn mòn khi không có sự bảo vệ
V': Tốc độ ăn mòn khi có sự bảo vệ.

Đối với phơng pháp điện hoá, hiệu quả bảo vệ tính theo giá trị mật độ
dòng ăn mòn iam hoặc điện trở phân cực RP.
Z% =

'
iam iam
.100%
iam

(3)

Z% =

Rr' Rr
.100%
Rr'

(4)

Trong đó: iam, i'am: Mật độ dòng ăn mòn khi không có sự bảo vệ
RP, R'P: điện trở phân cực khi không có và khi có sự bảo vệ.
R'P càng lớn thì hiệu quả bảo vệ càng cao
i'am càng nhỏ thì hiệu quả bảo vệ càng cao.
I.3.2. Các phơng pháp chống ăn mòn điện hoá
I.3.2.1. Hợp kim hoá
Hợp kim hoá kim loại bằng các nguyên tố khác (kim loại hoặc phi kim)
nhằm nâng cao độ bền ăn mòn hoặc chuyển ăn mòn cục bộ sang ăn mòn đều ít
nguy hiểm hơn.
- Đa vào kim loại các cấu tử có khả năng tạo màng có tác dụng bảo vệ

trên bề mặt hợp kim.
Nguyễn Hoàng Hào

13

Lớp 43A Hóa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

- Đa vào kim loại các cấu tử làm giảm hoạt tính anôt của hợp kim.
Giảm ăn mòn cục bộ bằng cách: tránh tạo biên hạt có hoạt tính anôt, san
bằng giá trị điện thế của hạt và biên hạt...
I.3.2.2. Xử lý môi trờng [2,4,5,7].
+ Giảm hàm lợng các chất khử phân cùc (H+,O2...)
+ Dïng chÊt øc chÕ.
ChÊt øc chÕ lµ mét chất hoá học mà khi thêm một lợng nhỏ vào môi trờng
cũng có khả năng giảm tốc độ ăn mòn nhanh chóng. Một số chất ức chế thờng
2
dùng là urê, thiourê, urotropin, các anion I-, CrO 2 , Cr2O 7 − , PO 3−..., c¸c
4
4

cation Cu2+, Zn2+, Al3+, Na+.. ChÊt ức chế khi cho vào môi trờng nó phản ứng
với bề mặt kim loại hay hấp phụ lên bề mặt kim loại tạo thành màng bảo vệ rất
mỏng, có tác dụng:
- Giảm phân cực catôt, anôt hoặc cả hai.
- Giảm quá trình khuếch tán ion tới về mặt kim loại.

- Tăng điện trở bề mặt kim loại.
* Phân loại các chất ức chế:
Có nhiều cách phân loại các chất ức chế.
- Theo cơ chế tác dụng
+ ức chế vật lý: Chất ức chế hấp phụ lên bề mặt vật liệu b»ng lùc
Vandevan.
+ øc chÕ ho¸ häc: ChÊt øc chÕ hÊp phụ lên bề mặt vật liệu nhờ hình thành
liên kết do cỈp electron d cđa chÊt øc chÕ víi obitan trống của kim loại trên bề
mặt.
- Dựa vào cơ chế phản ứng ngời ta chia ức chế theo cơ chế:
+ Hấp phụ (chủ yếu trong môi trờng axit)
+ Thụ động hoá
+ Kết tủa chất vô cơ hoặc phức hữu cơ khó tan (môi trờng trung tính với
sự có mặt của O2).
+ Loại bỏ tác nhân ăn mòn.
- Theo điện hoá bao gåm:
Ngun Hoµng Hµo

14

Líp 43A Hãa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

+ Chất øc chÕ cat«t.
+ ChÊt øc chÕ anèt.
- Theo m«i trêng xâm thực.

+ ức chế trong môi trờng axit
+ ức chế trong môi trờng bazơ, trung tính.
Ngoài ra chất ức chế có thể chia thành: Chất ức chế thụ động và chất ức
chế không thụ động, chất ức chế dạng tạo kết tủa, ức chế dạng bay hơi và ức
chế dạng tạo màng hữu cơ.
* ức chế trong môi trờng axit:
Chất ức chế trong môi trờng axit rất đa dạng: có thể là các hợp chất hữu
cơ có liên kết bội nh C=C, C=N... hợp chất hữu cơ có khối lợng phân tử lớn
nh protein, polysaccarit, các hợp chất vô cơ chứa ion halogenua, các cation...
Bản chất của tác dụng ức chế là làm giảm quá trình catôt và anôt nhờ:
- Tạo hàng rào khuếch tán: do hấp phụ những phân tử lớn bề mặt kim loại
tạo màng hoạt động có tác dụng nh hàng rào cản trở quá trình catôt và anôt.
- Bịt các tâm phản ứng.
- Tham gia phản ứng điện cực với vai trò là chất xúc tác.
- Tạo màng của muối khó tan.
-

Làm ổn định các màng oxit bảo vệ do các anion axit yếu nh: CrO
2
4

-

, Cr2-7 , PO 3...
O2
4

-

Làm thay đổi điện kép 1

1

2

2

a

b

-

Hình 1: Giản đồ đường cong
phân cực ăn mòn với:
(a) - chÊt øc chÕ an«t
(b) - chÊt øc chÕ cat«t
(c) - chất ức chế hỗn hợp

1
2

Nguyễn Hoàng Hào

c

15

Lớp 43A Hóa

Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

* Vài nét cơ chế ức chế:
Cơ chế hoạt động của các chất ức chế rất phức tạp. Nhiều công trình
nghiên cứu cơ chế của các chất ức chế đà đang và tiếp tục đợc thực hiện và mở
rộng phạm vi để xem xét có ảnh hởng riêng lẻ và phối hợp của các chất ức
chế. Ngời ta cho rằng tổ hợp của các electron hoặc electron tự do của chất
ức chế và obitan còn trống của kim loại là nguyên nhân gây ra sự kìm hÃm
quá trình ăn mòn [3].
- Chất hữu cơ ức chế ăn mòn do hấp phụ trên ranh giới kim loại và dung
dịch. Cơ chế hấp phụ này phụ thuộc:
+ Cấu trúc phân tử.
+ Thành phần dung dịch
+ bản chất bề mặt kim loại.
+ Thế điện hoá tại ranh giới kim loại - dung dịch.
Có ba kiĨu hÊp phơ chÝnh liªn hƯ víi chÊt øc chÕ hữu cơ:
+ Hấp phụ do obitan liên kết
+ Hấp phụ tĩnh điện
+ Hấp phụ hoá học
- Việc nghiên cứu ảnh hởng của cation kim loại đối với quá trình ăn mòn
thép cho thấy: Hầu hết các nguyên tố chuyển tiếp nhóm VIII có tác dụng thúc
đẩy quá trình ăn mòn trong khi các nguyên tố nhóm III và IV hoạt động nh
một chất ức chế yếu [7]. Một số cation kim loại có khả năng kìm hÃm tốt quá
trình ăn mòn khi phối hợp với chất ức chế hữu cơ (ví dụ: Zn 2+ phối hợp với 2mecaptobenzimidazol) nhờ khả năng nhờng electron , electron d cho phân tử
có obitan *. Ngợc lại một số cation ít có khuynh hớng phối hợp với chất ức
chế hữu cơ nên hiệu quả ức chế khi sử dụng phối hợp giữa chúng kém hơn.

Nguyễn Hoàng Hào

16

Lớp 43A Hóa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

Nh đà nói trên, tác dụng kìm hÃm của các chất ức chế chủ yếu là do khả
năng tạo màng hấp phụ trên bề mặt kim loại, bám chắc trên bề mặt kim loại và
không tan trong môi trờng ăn mòn.
Để chứng minh chất ức chế hoạt động theo cơ chế hấp phụ hay không,
ngời ta tiến hành các biện pháp nghiên cứu sự ăn mòn vật liệu trong môi trờng
ăn mòn, phân tích xử lý các dữ liệu thực nghiệm để chọn đờng đẳng nhiệt hấp
phụ thích hợp, tính toán kiểm tra víi tham sè nhiƯt ®éng lùc entanpi (∆Hhp),
entropi (∆Shp), năng lợng tự do (Ghp), năng lợng hoạt hoá (Ea) của quá trình
hấp phụ.
Một số đờng đẳng nhiệt hấp phụ:
+ Đờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmua.
+ Đờng đẳng nhiệt hấp phụ Temkin.
+ Đờng đẳng nhiệt hấp phụ Areinuyt.
Hiệu quả kìm hÃm ăn mòn của các chất ức chế phụ thuộc vào các yếu tố:
- Bản chất của chất ức chế.
Ví dụ: Các chất ức chế chứa lu huỳnh hoạt động tốt trong môi trờng
H2SO4 còn chất ức chế chứa nitơ hoạt động hiệu quả trong môi trờng HCl.
- Nồng độ chất ức chế: Khi nồng độ tăng thì độ bền vững của màng oxit
giảm và do đó hiệu quả bảo vệ giảm.

- Thời gian nghiên cứu.
- Bản chất axit.
Và các yếu tố khác của môi trờng.
I.3.2.3. Bảo vệ điện hoá:
Phơng pháp bảo vệ điện hoá thờng đợc sử dụng là phơng pháp bảo vệ
catôt nghĩa là phơng pháp bảo vệ bằng cách cực hoá catôt bằng dòng điện
ngoài cho kết cấu kim loại hoặc dùng protectơ.
- Bảo vệ bằng protectơ (anôt hy sinh)
Protectơ là kim loại, hợp kim có điện thế âm hơn điện thế của kim loại
cần bảo vệ.
- Bảo vệ catôt bằng dòng điện ngoài.
Nguyễn Hoàng Hào

17

Lớp 43A Hãa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

- Nối cực âm của nguồn điện một chiều với kim loại cần bảo vệ, cực dơng
của nguồn (đóng vai trò anôt) nối với điện cực phụ. Nh vậy khi có dòng điện
chạy qua thì bề mặt kim loại đợc cực hoá catôt. Điện thế điện cực chuyển
dịch về phía âm hơn so với điện thế ăn mòn. Do quá trình ăn mòn sẽ giảm đi
hoặc kim loại đợc hoàn toàn bảo vệ.
- Bảo vệ anôt bằng dòng điện ngoài.
Khi xảy ra quá trình thụ động trên anôt thì tốc độ ăn mòn sẽ giảm do điện
thế điện cực của nó chuyển dịch về phía âm hơn so với điện thế ăn mòn. Do

đó quá trình ăn mòn sẽ giảm đi hoặc kim loại đợc hoàn toàn bảo vệ.
- Bảo vệ anôt bằng dòng điện bên ngoài.
Khi xảy ra quá trình thụ động trên anôt thì tốc độ ăn mòn sẽ giảm do điện
thế điện cực của nó chuyển về phía dơng hơn. Do đó ta có thể bảo vệ kim loại,
hợp kim dễ bị thụ động hoá trong môi trờng axit mạnh và không có ion hoạt
động bằng cách hoá anôt kim loại đợc bảo vệ: nối kết cấu kim loại với cực dơng của nguồn điện một chiều.
I.3.2.4. Phơng pháp bao phủ bảo vệ:
Đây là phơng pháp khá phổ biến. Kim loại cần bảo vệ đợc bao phủ bằng
các lớp kim loại, phi kim hoặc các chất hoá học có tính chất bảo vệ.
Bao phủ kim loại:
- Bao phủ catôt: Kim loại bao phủ có điện thế điện cực dơng hơn so với
kim loại đợc bảo vệ nhằm ngăn cách kim loại nền với môi trờng (bảo vệ cơ
học). Khi lớp kim loại bao phủ bị xớc thì kim loại nền tiếp xúc với môi trờng
xâm thực sẽ bị ăn mòn.
- Bao phủ anôt: Kim loại bao phủ có điện thế điện cực âm hơn so với kim
loại nền. Khi đó kim loại bao phủ đóng vai trò protectơ, bị ăn mòn trớc. Kim
loại nền đợc bảo vệ điện hoá. Do đó kim loại nền vẫn bảo vệ ngay cả khi lớp
bao phủ không còn phủ kín.
Để bảo vệ kim loại bằng phơng pháp bao phủ, ta có thể dùng phơng pháp:
mạ điện, phun kim loại.
Ngoài ra ngời ta có thể bao phủ kim loại bằng một số chất hoá häc sau:
Ngun Hoµng Hµo

18

Líp 43A Hãa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

- Các hợp chất hoá học: tạo màng oxit, tạo màng muối bền có tác dụng
bảo vệ.
- Các vật liệu hữu cơ: Sơn phủ, polime...
- Các vật liệu vô cơ: men, vữa trát, bê tông...
I.3.2.5. Cấu tạo hợp lý:
Khi thiết kế cần lu ý:
- Tránh tiếp xúc giữa các kim loại cùng nằm trong môi trờng điện li.
- Loại bỏ trạng thái ứng suất.
- Tránh đọng dung dịch ăn mòn trong thiết bị khi làm việc.
- Tránh ăn mòn cục bộ do chất lỏng chảy dọc thành thiết bị.
- Giảm đến mức nhỏ nhất số lợng các khe hẹp, các mối nối của các chi
tiết nằm trong môi trờng điện li.
- Tránh góc chết gây nên tính không đồng nhất của dung dịch điện li.
- Nâng cao công nghệ chế tạo thiết bÞ.
I.3.2.6. Lùa chän vËt liƯu:
ViƯc lùa chän vËt liƯu cã thành phần, độ bền và các thông số khác cho
phù hợp với điều kiện của môi trờng làm việc: độ ẩm, nhiệt độ, nồng độ các
chất điện ly, các khí hoà tan... là cần thiết.
Ngoài ra việc xử lý khí thải, nớc công nghiệp, sinh hoạt cũng cần phải đợc chú ý.

I.3.2.7. Tổ hợp các phơng pháp bảo vệ:
Mỗi phơng pháp bảo vệ chỉ có hiệu quả bảo vệ đối với một số vật liệu
trong những điều kiện môi trờng làm việc nhất định. Do đó ngời ta thờng sử
dụng phối hợp các biện pháp bảo vệ để đạt hiệu quả cao nhất.

Nguyễn Hoàng Hào

19

Lớp 43A Hóa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

Phần II: Nội dung các phơng pháp nghiên cứu
Bảng 2: Thành phần % về khối lợng các nguyên tố trong thép CT3
Nguyên tố
Fe
%
99.406

C
0.15

Mn
0.42

P
0.037

S
0.042

Si
Ni, Cr
Vết Không đáng kể

Thép CT3 đợc sử dụng khá phổ biến ở nớc ta trong công nghiệp và trong
xây dựng dân dụng. Việc nghiên cứu ăn mòn thép CT3 đà đợc một số tác giả
tiến hành trong hai axit HCl 1N và H2SO4 0,5N và nghiên cứu ảnh hởng øc chÕ
Ngun Hoµng Hµo

20

Líp 43A Hãa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

của một vài hợp chất hữu cơ chứa N, S phối hợp với chất vô cơ. Trong khoá
luận này chúng tôi tập trung nghiên cứu ăn mòn thép CT3 trong axit HCl 0,5N
víi chÊt øc chÕ urotropin vµ mét sè ion Cu 2+ dạng riêng rẽ và phối hợp theo ba
phơng pháp: trọng lợng, thể tích và điện hoá.
II.1 Phơng pháp trọng lợng.
Dựa trên độ hụt khối lợng của kim loại bị ăn mòn theo thời gian.
Công thức:
V =

Trong đó:

m m' ∆m
=
S *t
S *t

(5)

m: Khèi lỵng mÉu tríc thÝ nghiƯm (g)
m': Khèi lỵng mÉu sau thÝ nghiƯm (g)
S: DiƯn tÝch mÉu
t: thời gian thí nghiệm
V: tốc độ ăn mòn (g/m2.h)

Tốc độ ăn mòn theo chiều sâu phá huỷ:
Trong đó:

P=

8.76 * V



(6)

: tỉ trọng kim loại (Fe = 7.84g/cm3)
V: tốc độ ăn mòn (g/m2.h)
P: tốc độ ăn mòn (mm/năm)

II.2. Phơng pháp thể tích:
Thể tích ăn mòn tính theo thể tích khí H2, thoát ra theo thời gian.
Công thức:

V =

Vt
S *t

(7)

Trong đó:
Vt: thể tÝch H2 tho¸t ra ( ml )
S: diƯn tÝch mÉu thÝ nghiÖm ( cm2 ).
t: thêi gian thÝ nghiÖm ( h )
V: tốc độ ăn mòn ( ml/cm2.h )
Do điều kiện tiến hành mỗi thí nghiệm khác nhau nên để có thể so sánh
đợc thì tốc độ ăn mòn đợc quy về điều kiện tiêu chuẩn.

Nguyễn Hoàng Hào

21

Lớp 43A Hóa


Khoá luận tốt nghiệp đại học
V0 =

Chuyên ngành: Hoá lý

Vt * 273 * P
S * t * T * 760

(8)

Trong đó:
Vt: Thể tích H2 thoát ra ở nhiệt độ nghiên cứu ( ml )
V: Tốc độ ăn mòn ở nhiệt độ nghiên cứu ( ml/cm2.h )
V0: tốc độ ăn mòn ở điều kiện tiêu chuẩn ( ml/cm2.h ).
273: nhiệt độ điều kiện tiêu chuẩn ( Kenvin )
T: nhiệt độ làm thÝ nghiÖm ( Kenvin ), T = 273+ t0C.
t0C: nhiÖt độ làm thí nghiệm ( Cêsius )
760: áp suất khí ở điều kiện huẩn ( mmHg ).
P: áp suất thực cđa hƯ ( mmHg )
P= P0 - Pcét níc - Pbh

(9)

P0: áp suất khí quyển (mmHg)
Pbh: áp suất hơi nớc bÃo hoà ở nhiệt độ nghiên cứu (mmHg).
Pcột nớc: áp st cét níc (mmHg)
Pcét níc=

h
13.6

: víi h lµ chiỊu cao cột nớc (mm).

II.3. Phơng pháp điện hoá
Trạng thái tự nhiên của hệ ăn mòn là trạng thái không có dòng điện các
quá trình điện cực cân bằng với nhau iM->M, = iD-> Dne = iam. Tốc độ ăn mòn đợc
tính theo mật độ dòng ăn mòn iam bằng cách phân cực hệ ra khỏi trạng thái cân
bằng, xây dựng đờng cong phân cực, sau đó ngoại suy đa hệ về trạng thái
không có dòng điện, xác định iam, Eam.
Có hai phơng pháp tính tốc độ ăn mòn.

II.3.1. Phơng pháp ngoại suyTafel:
Phân cực catôt, anôt xây dựng đồ thị E-logi. Ngoại suy trên đoạn thẳng
nhất của đồ thị, trên miền điện thế đủ dài ( 50-100mV), Epc-Eam 20mV đợc
hai đờng thẳng c , a

Nguyễn Hoàng Hào

22

Lớp 43A Hóa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

a = a a + ba . lg i
ba =

RT
a.n.F

ηc = a c + bc . log i
− RT
bc =
(1 − a ) n.F

Hình 2: Eam nằm trong đờng Tafel của phản ứng điện cực mà từ đó đờng
tafel đợc ngoại suy.
Giao điểm của hai đờngc , a cho ta giá trị iam, Eam.

II.3.2. Phơng pháp điện trở phân cực
Phân cực anôt, catôt xây dựng đồ thị E-i. Ngoại suy phần đồ thị tại khu
vực lân cận điểm i = 0 (sao cho EPC - Eam = 5 ữ 10mV) đợc đờng thẳng:
= a +b *i

Giá trị điện trở phân cực bằng hệ số góc đờng thẳng b (chính là độ dốc đờng cong phân cực tại thế ổn định)

E
=b *i

tg=RP
i

Ngun Hoµng Hµo

23

Líp 43A Hãa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

Hình 3: Đờng cong phân cực

Phần III: Thực nghiệm
Chơng 1: Chuẩn bị, cách tiến hành
III.1.1. Chuẩn bị mẫu thử nghiệm và dung dịch.
III.1.1.1. Điện cực

* Phơng pháp trọng lợng: dùng 4 mẫu thép CT3
* Phơng pháp thể tích: dùng 4 mẫu thép CT3.

Ngun Hoµng Hµo

24

Líp 43A Hãa


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Hoá lý

Tất cả các mẫu thép trớc khi làm thí nghiệm đợc xử lý bề mặt bằng phơng pháp cơ học: dùng giấy ráp từ thô đến tinh đánh sạch bề mặt điện cực.
Mẫu làm theo phơng pháp trọng lợng: đục lỗ để buộc dây treo. Mẫu làm theo
phơng pháp thể tích đợc khoan lỗ = 8mm để treo. Đo chính xác kích thớc
các điện cực. Đánh số điện cực.
Rửa điện cực bằng xà phòng cho sạch dầu mỡ, chất bẩn. Rửa sạch bằng
nớc máy, sau đó bằng nớc cất, dùng giấy thấm thấm khô sau đó lau bằng bông
tẩm axeton.
* Phơng pháp điện hoá:
Điện cực thép CT3 đợc chế tạo theo dạng hình trụ tròn đúc trong ống
nhựa cách điện, có diện tích làm việc 0,25cm2. Xử lý điện cực bằng giấy ráp
tinh, đánh sạch, bóng sáng, rửa bằng nớc cất, thấm khô đem sử dụng ngay.
III.1.1.2. Dung dịch
- Axit clohidric đặc 36-38% do Trung Quốc sản xuất.
- Urotropin tinh thể loại tinh khiết hoá học do Đức sản xuất.
- Đồng clorua tinh thĨ.
- Dung m«i Pha chÕ: Níc cÊt hai lần ( Độ dẫn điện riêng

= 5,23à )
s

Pha dung dịch ăn mòn:
- Dung dịch nền HCl 0,5N có pha chất ức chế:
+ Urotropin ở các nồng độ: 0,1mM; 0,5mM, 1mM; 5mM; 10mM;
20mM.
+ Đồng clorua ở các nồng độ: 0,01mM; 0,05mM; 0,1mM; 0,5mM.
+ Hỗn hợp urotropin 10mM với các muối ®ång clorua: 0,01mM;
0,05mM; 0,1mM; 0,5mM.
III. 1.1.3. ThiÕt bÞ
+ Thíc ®o kỹ thuật
+ Bình định mức 100ml, 250ml.
a. Thiết bị của phơng pháp trọng lợng
+ 4 cốc thuỷ tinh 250ml
+ 4 đũa thuỷ tinh làm giá treo điện cực.
Nguyễn Hoàng Hào

25

Lớp 43A Hãa