Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Đánh giá khả năng hạn chế ăn mòn thép CT3 trong môi trường axit loãng của hỗn hợp caffeine thiên nhiên với ion Zn2+hoặc ion Mn2+ bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung Luận văn này trình bày về các phương pháp nghiên cứu ăn mòn, từ các phương pháp truyền thống như phương pháp trọng lượng, phương pháp thể tích hay các phương pháp hiện đại như phương pháp điện hóa, các phương pháp quan sát vi mô. Với sự phát triển vượt bậc của các thiết bị hiện đại thì phương pháp phân tích đang có nhiều ưu thế trong định tính và định lượng hóa học. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Đánh giá khả năng hạn chế ăn mòn thép CT3 trong môi trường axit loãng của hỗn hợp caffeine thiên nhiên với ion Zn2+hoặc ion Mn2+ bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TRẦN THỊ PHƯƠNG NGA ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẠN CHẾ ĂN MÒN THÉP CT3 TRONG MÔI TRƯỜNG AXIT LOÃNG CỦA HỖN HỢP CAFFEINE THIÊN NHIÊN VỚI ION Zn2+ HOẶC ION Mn2+ BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TRẦN THỊ PHƯƠNG NGA ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẠN CHẾ ĂN MÒN THÉP CT3 TRONG MÔI TRƯỜNG AXIT LOÃNG CỦA HỖN HỢP CAFFEINE THIÊN NHIÊN VỚI ION Zn2+ HOẶC ION Mn2+ BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 60440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trương Thị Thảo THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các tài liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tác giả Trần Thị Phương Nga a Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN Tôi xin tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Trương Thị Thảo đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu để tôi có thể hoàn thành được luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến các thầy, cô giáo, cán bộ Khoa Hóa học - trường Đại học Khoa học Thái Nguyên đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu khoa học tại trường. Xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thiện luận văn này Trong quá trình thực hiện luận văn do còn hạn chế về mặt thời gian cũng như trình độ chuyên môn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến quý báu của các thầy cô, các nhà khoa học, bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày …. tháng 10 năm 2016 Tác giả Trần Thị Phương Nga b Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................... a LỜI CẢM ƠN .............................................................................................. b MỤC LỤC .................................................................................................... c DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ...................................................... f DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ g DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................. j MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 3 1.1. Tổng quan về ăn mòn kim loại ............................................................... 3 1.1.1. Định nghĩa ăn mòn kim loại ................................................................ 3 1.1.2. Phân loại ăn mòn ................................................................................ 3 1.2. Khái quát về thép ................................................................................... 6 1.2.1. Khái niệm về thép ............................................................................... 6 1.2.2. Phân loại thép theo thành phần hóa học .............................................. 6 1.2.3. Ứng dụng của thép .............................................................................. 6 1.2.4. Sự ăn mòn thép ................................................................................... 7 1.2.5. Sự ăn mòn thép hợp kim thấp ............................................................. 8 1.3. Sử dụng các chất ức chế bảo vệ chống ăn mòn kim loại ......................... 8 1.3.1. Giới thiệu về chất ức chế chống ăn mòn kim loại ................................ 8 1.3.2. Cơ chế hoạt động của chất ức chế ăn mòn kim loại ............................. 9 1.3.3. Phân loại chất ức chế kim loại .......................................................... 10 1.3.4. Chất ức chế dùng trong khảo sát ....................................................... 11 1.4. Các phương pháp nghiên cứu ăn mòn .................................................. 14 1.4.1. Phương pháp trọng lượng.................................................................. 14 1.4.2. Phương pháp thể tích ........................................................................ 15 1.4.3. Phương pháp điện hóa....................................................................... 15 1.4.4. Phương pháp phân tích ..................................................................... 18 1.5. Các phương pháp phân tích xác định sắt .............................................. 19 c Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
1.5.1. Phân tích khối lượng ......................................................................... 19 1.5.2. Phân tích thể tích .............................................................................. 19 1.5.3. Các phương pháp điện hóa ................................................................ 20 1.5.4. Phương pháp trắc quang.................................................................... 21 1.5.5. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ................................................. 22 1.6. Giới thiệu phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ................................... 22 1.6.1. Nguyên tắc của phép đo AAS ........................................................... 23 1.6.2. Trang thiết bị của phép đo AAS ........................................................ 24 1.6.3. Ưu nhược điểm của phương pháp ..................................................... 24 Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ...... 26 2.1. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 26 2.1.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp ...................................................... 26 2.1.2. Phương pháp đường chuẩn ................................................................ 26 2.2. Hóa chất - dụng cụ - thiết bị................................................................. 27 2.2.1. Hóa chất ........................................................................................... 27 2.2.2. Dụng cụ ............................................................................................ 28 2.2.3. Thiết bị ............................................................................................. 28 2.3. Thực nghiệm ........................................................................................ 28 2.3.1. Khảo sát các yếu tố trong xác định sắt bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ................................................................................................... 28 2.3.2. Đánh giá độ chính xác của phương pháp ........................................... 34 2.3.3. Thực nghiệm ăn mòn và phân tích xác định tốc độ ăn mòn ............... 35 2.3.4. Định lượng Fe trong các dung dịch nghiên cứu ăn mòn .................... 37 2.4. Nội dung nghiên cứu ........................................................................... 38 2.4.1. Khảo sát các điều kiện thực nghiệm xác định Fe bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử dùng ngọn lửa ................................................................ 38 d Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
2.4.2. Khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 trong môi trường axit HCl 0,001N của các chất ức chế caffeine và các ion kim loại Mn2+, Zn2+. ...................... 38 2.4.3. Khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 trong môi trường axit HCl 0,001N khi kết hợp chất ức chế độ lập caffeine với các ion kim loại Mn 2+, Zn2+. .... 38 Chương 3. KẾT QUẢ THẢO LUẬN ....................................................... 39 3.1. Khảo sát các điều kiện thực nghiệm xác định hàm lượng kim loại sắt bằng phương pháp F - AAS ................................................................................. 39 3.1.1. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo ......................... 39 3.1.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến ăn mòn kim loại ........ 47 3.2. Kết quả thực nghiệm ............................................................................ 49 3.2.1. So sánh mức độ tương quan giữa phương pháp phân tích và các phương pháp khác trong nghiên cứu ăn mòn thép .................................................... 49 3.2.2. Khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 trong các môi trường HCl 0,001N của các chất ức chế Caffeine và ion kim loại Mn2+, Zn2+ ............................ 53 3.2.3. Khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 trong môi trường axit HCl 10 -3N khi kết hợp caffeine với các ion kim loại Zn2+ và Mn2+ .................................... 56 KẾT LUẬN ............................................................................................... 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 62 e Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT F - AAS Phép đo quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa AAS Phép đo quang phổ hấp thụ nguyên tử. Abs Độ hấp thụ DPP Cực phổ xung vi phân SQWP Cực phổ sóng vuông HCL Đèn catot rỗng EDL Đèn phóng không điện cực LOD Giới hạn phát hiện LOQ Giới hạn định lượng. C Nồng độ chất ức chế (g/l) H (%) Hiệu quả bảo vệ. R (Ω) Điện trở phân cực. SEM Phương pháp hiển vi điện tử quét. 𝜂 Quá thế. T Thời gian (phút). f Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Thể tích cation cản trở thêm vào các mẫu để nghiên cứu ảnh hưởng của các cation lạ trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử xác định sắt ........................................................................... 31 Bảng 2.2: Bảng pha các dung dịch chuẩn sắt khảo sát tuyến tính ........ 32 Bảng 2.3: Bảng các công thức tính xác định giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng và đánh giá độ chính xác của phép đo ............... 34 Bảng 3.1: Độ hấp thụ của dung dịch sắt chuẩn 1 ppm trong dung dịch nền HCl 0,001N và caffeine 1,0g/l khi khảo sát với các bước sóng hấp thụ khác nhau ........................................................ 39 Bảng 3.2: Độ hấp thụ của dung dịch sắt chuẩn 1 ppm trong dung dịch nền HCl 0,001N và caffeine 1g/l khi đo với cường độ dòng đèn khác nhau ....................................................................... 40 Bảng 3.3: Độ hấp thụ của dung dịch sắt chuẩn 1 ppm trong dung dịch nền HCl 0,001N và caffeine 1g/l khi đo với các lưu lượng khí axetylen khác nhau................................................................. 41 Bảng 3.4: Độ hấp thụ của dung dịch sắt chuẩn 1 ppm trong dung dịch nền HCl 0,001N và caffeine 1g/l khi đo với các khe đo khác nhau của máy phổ hấp thụ nguyên tử................................... 42 Bảng 3.5: Độ hấp thụ của dung dịch sắt chuẩn 1 ppm trong dung dịch nền HCl 0,001N và caffeine 1g/l khi đo với chiều cao của đèn nguyên tử hóa mẫu khác nhau .............................................. 43 Bảng 3.6: Độ hấp thụ và nồng độ sắt của các dung dịch sắt chuẩn nồng độ 1 ppm khi trong dung dịch có và không có mặt các ion lạ ở các nồng độ khác nhau ......................................................... 44 g Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Bảng 3.7: Độ hấp thụ và nồng độ sắt thu được khi đo lặp lại dung dịch sắt chuẩn 0,1ppm trong dung dịch nền HCl 0,001N và caffeine 1g/l ........................................................................................ 45 Bảng 3.8: Kết quả đo nồng độ sắt trong dung dịch sắt chuẩn 0,1 ppm khi thêm các dung dịch thêm chuẩn ở nồng độ khác nhau ........ 47 Bảng 3.9: Ảnh hưởng của thời gian tới tốc độ ăn mòn thép ................. 48 Bảng 3.10: Tổng kết các điều kiện đo phổ F - AAS của sắt................... 49 Bảng 3.11: Khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 ngâm trong dung dịch HCl 1M một ngày và hiệu quả bảo vệ ăn mòn của caffeine bằng phương pháp trọng lượng ..................................................... 50 Bảng 3.12: Kết quả tốc độ ăn mòn của thép CT3 trong dung dịch HCl 1M và hiệu quả bảo vệ ăn mòn của caffeine bằng phương pháp đường cong phân cực ........................................................... 51 Bảng 3.13: Hiệu quả bảo vệ ăn mòn thép CT3 trong môi trường HCl 1M của chất ức chế caffeine ở các nồng độ khác nhau bằng phương pháp phân tích ...................................................................... 52 Bảng 3.14: Hiệu quả ức chế ăn mòn thép CT3 trong môi trường HCl 0,001N khi có mặt độc lập các chất ức chế caffeine Mn2+ và Zn2+ ở các nồng độ khác nhau .............................................. 53 Bảng 3.15: Nồng độ Fe trong dung dịch nghiên cứu và hiệu quả ức chế ăn mòn thép CT3 trong môi trường HCl 0,001N khi có mặt hỗn hợp chất ức chế Caffeine 3g/l và Mn2+ ở các nồng độ khác nhau. ..................................................................................... 56 h Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Đường phân cực i - f(E) Nhánh anot 1,2. Nhánh catot 1’ , 2’ . 17 Hình 1.2: Đường cong phân cực dạng log của kim loại trong môi trường axit (dùng trong phương pháp ngoại suy tafel) ...................... 17 Hình 1.3: Áp dụng đường tuyến tính dòng thế ....................................... 18 Hình 1.4: Điện trở phân cực tính từ thực nghiệm ................................... 18 Hình 2.1: Đồ thị phương pháp đường chuẩn .......................................... 27 Hình 2.2: Mẫu làm việc........................................................................... 35 Hình 2.2: Mẫu ngâm trong dung dịch nghiên cứu .................................. 36 Hình 3.1: Đường chuẩn của sắt ............................................................... 45 Hình 3.2: Ảnh hưởng của thời gian đến nồng độ của dung dịch ............ 48 Hình 3.3: Ảnh hưởng của thời gian đến vận tốc ăn mòn của dung dịch 48 Hình 3.4: SEM hiển vi của thép CT3 khi không có và có chất ức chế caffeine 3g/l ............................................................................ 51 Hình 3.5: Hiệu suất bảo vệ thép CT3 trong môi trường HCl 0,001N khi có mặt các chất ức chế độc lập Caffeine, Mn2+, Zn2+ ở các nồng độ khác nhau ................................................................................ 54 Hình 3.6: Hiệu suất bảo vệ ăn mòn thép CT3 trong môi trường HCl 0,001N khi kết hợp chất ức chế caffeine 3,00g/l với các ion kim loại Mn2+ và Zn2+..................................................................... 57 j Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
MỞ ĐẦU Ăn mòn kim loại là một trong những vấn đề luôn được các nhà khoa học, các nhà sản xuất và các nhà quản lý kinh tế quan tâm do những tác hại hết sức to lớn của nó. Hằng năm khối lượng thép bị phá hủy do ăn mòn chiếm tới 12% lượng thép của toàn thế giới. Người ta đã tính được rằng giá tiền chi phí cho lĩnh vực ăn mòn chiếm khoảng 4% tổng thu nhập quốc dân đối với những nước có nền công nghiệp đang phát triển. Kim loại với nhiều ưu điểm nổi trội như: khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, độ bền cơ học cao, độ bền nhiệt cao, dễ dàng chế tạo ra các thiết bị, máy móc…nên đã được ứng dụng trong hầu hết các nghành công nghiệp chế tạo thiết bị, máy móc cũng như trong đời sống hàng ngày. Nhưng vấn đề đặt ra cho các nhà sản xuất vật liệu là: trong môi trường làm việc khác nhau, kim loại (thép) luôn bị ăn mòn dần một cách tự nhiên. Sự ăn mòn làm biến đổi một lượng lớn các kim loại (thép) có thể dẫn đến nhiều vấn đề và hậu quả đối với quá trình sử dụng các vật dụng làm bằng kim loại (thép) và an toàn trong lao động gây ra nhiều tổn thất với nền kinh tế của các quốc gia. Có nhiều phương pháp bảo vệ kim loại (thép) khỏi ăn mòn đã được thực hiện. Trong đó sử dụng chất ức chế là một trong những phương pháp bảo vệ truyền thống khá hiệu quả, có thể kéo dài tuổi thọ của các công trình lên 2 - 5 lần và có tính kinh tế cao. Nhiều loại chất ức chế đã được sử dụng rộng rãi như muối nitrit, muối cromat, các amin hữu cơ… Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của chất ức chế đến người lao động và môi trường đã ít được quan tâm trong thời gian dài, thực tế đã sử dụng những hóa chất độc hại như nitri, cromat… Hiện nay, các chất ức chế được lựa chọn phải đảm bảo yêu cầu đầu tiên là thân thiện với môi trường. Vì vậy, chúng tôi lựa chọn caffeine và kết hợp với các ion kim loại. Trên thế giới đã có nhiều phương pháp nghiên cứu ăn mòn, từ các phương pháp truyền thống như phương pháp trọng lượng, phương pháp thể tích hay các phương pháp hiện đại như phương pháp điện hóa, các phương pháp quan sát vi mô. Với sự phát triển vượt bậc của các thiết bị hiện đại thì phương pháp phân tích đang có nhiều ưu thế trong định tính và định lượng hóa học. Tuy nhiên, ứng dụng trong nghiên cứu ăn mòn chưa nhiều. Vì vậy, chúng tôi chọn đề tài: Đánh giá khả năng hạn chế ăn mòn thép CT3 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
trong môi trường axit loãng của hỗn hợp caffeine thiên nhiên với ion Zn2+hoặc ion Mn2+ bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử. 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về ăn mòn kim loại 1.1.1. Định nghĩa ăn mòn kim loại [2-5] Cụm từ “ăn mòn” được dịch ra từ chữ “corrosion”, xuất phát từ ngôn ngữ latin “corrodere” có nghĩa là “gặm nhấm” hoặc “phá hủy”. Về nghĩa rộng sự ăn mòn được dùng để chỉ sự phá hủy vật liệu trong đó bao gồm kim loại và các vật liệu phi kim loại khi có sự tương tác hóa học hoặc vật lý giữa chúng với môi trường ăn mòn gây ra. Về định nghĩa ăn mòn kim loại có thể phát biểu ở nhiều dạng khác nhau. Trên quan điểm nhìn nhận vấn đề ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại và gây ra thiệt hại thì: Sự ăn mòn kim loại là quá trình làm giảm chất lượng và tính chất của kim loại do sự tương tác của chúng với môi trường xâm thực gây ra. Trong điều kiện về việc xử lý bề mặt kim loại bằng phương pháp hóa học hoặc điện hóa để làm tăng độ bóng của sản phẩm, nó găn liền với sự hòa tan bề mặt kim loại ta có thể dùng định nghĩa: Ăn mòn kim loại là một phản ứng không thuận nghịch xảy ra trên bề mặt giới hạn giữa vật liệu kim loại và môi trường xâm thực được gắn liền với sự mất mát hoặc tạo ra trên bề mặt kim loại một thành phần nào đó do môi trường cung cấp. Nếu xem hiện tượng ăn mòn kim loại xảy ra xét theo phân loại phản ứng thì sự ăn mòn kim loại có thể định nghĩa như sau: Ăn mòn kim loại là một quá trình xảy ra phản ứng oxi hóa khử trên mặt giới hạn tiếp xúc giữa kim loại và môi trường chất điện li, nó gắn liền với sự chuyển kim loại thành ion kim loại đồng thời kèm theo sự khử một thành phần của môi trường và sinh ra một dòng điện. 1.1.2. Phân loại ăn mòn [1,2, 3-6] Có nhiều cách phân loại ăn mòn kim loại. a. Phân loại theo cơ chế của quá trình ăn mòn Tùy theo cơ chế ăn mòn kim loại mà người ta phân thành hai loại: 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Ăn mòn hóa học: Ăn mòn hóa học là quá trình oxi hóa khử trong đó kim loại phản ứng trực tiếp với các chất oxi hóa trong môi trường (các electron của kim loại được chuyển trực tiếp đến các chất oxi hóa trong môi trường). Đặc điểm của ăn mòn hóa học là không phát sinh dòng điện và nhiệt độ càng cao thì tốc độ ăn mòn càng nhanh. Sự ăn mòn hóa học thường xảy ra ở các thiết bị của lò đốt, các chi tiết của động cơ đốt trong hoặc các thiết bị tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao. 3Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4H2 2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 (x+2y)Fe + (x+3y)/2 O2 → xFeO.yFe2O3 Ăn mòn điện hóa: Ăn mòn điện hóa là quá trình phá hủy kim loại tự diễn biến khi kim loại tiếp xúc với dung dịch điện li làm phát sinh dòng điện giữa vùng anot và catot. Bản chất của ăn mòn điện hóa là một quá trình oxy hóa khử trên bề mặt giới hạn hai pha kim loại/dung dịch điện li. Khi đó kim loại bị hòa tan ở vùng anot kèm theo phản ứng giải phóng H2 hoặc tiêu thụ O2 ở vùng catot, đồng thời sinh ra dòng điện tạo thành một pin điện khép kín. * Anot: Vùng anot xảy ra quá trình oxy hóa tức là kim loại bị hòa tan: M → Mn+ + ne Tại anot, ion kim loại trên bề mặt điện cực chuyển vào dung dịch đồng thời có electron dư trên kim loại. Dó đó thế của bề mặt kim loại dịch chuyển về phía âm. * Catot: Catot là nơi xảy ra sự tiêu thụ electron (quá trình khử) bởi các tác nhân oxy hóa Nếu môi trường có ion H+ thì xảy ra phản ứng giải phóng hidro và khi đó sự ăn mòn kim loại kèm theo sự giải phóng hidro: 𝑍 2H+ + ze → H2 . 2 Nếu trong môi trường ăn mòn có mặt ion H+ và oxi thì xảy ra phản ứng tiêu thụ oxi: 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
𝑍 𝑍 O2 + ze + zH+ → H2 O 4 2 b. Phân loại theo điều kiện môi trường  Ăn mòn trong đất  Ăn mòn khí  Ăn mòn trong chất điện giải  Ăn mòn do dòng điện ngoài  Ăn mòn tiếp xúc  Ăn mòn do ứng xuất  Ăn mòn do sinh vật  Ăn mòn mài mòn và xói mòn c. Phân loại theo trạng thái bề mặt kim loại bị phá hủy. * Ăn mòn đều Ăn mòn đều là sự mất đi một lượng ít hoặc nhiều vật liệu kim loại được phân bố một cách đồng đều trên mọi phần của bề mặt kim loại tiếp xúc với môi trường ăn mòn. Trong ăn mòn đều, tác nhân gây ăn mòn tấn công với tốc độ như nhau trên toàn bề mặt kim loại, độ dày kim loại giảm thống nhất. Điều kiện cần đạt được ăn mòn đều là: - Kim loại và dung dịch trong cùng một môi trường - Phản ứng giữa kim loại và tác nhân ăn mòn tạo sản phẩm tan vào dung dịch. Sự ăn mòn đều có thể bị thay đổi khi bề mặt kim loại chuyển từ thụ động sang hoạt động do ảnh hưởng cơ học, thay đổi tốc độ dòng chảy hay một thay đổi hóa học trong môi trường. * Ăn mòn cục bộ Ăn mòn cục bộ bao gồm các dạng ăn mòn không đều như ăn mòn điểm, ăn mòn lỗ, ăn mòn vết, ăn mòn hố, ăn mòn ven tinh thể, ăn mòn dưới lớp phủ,…. Các dạng ăn mòn này xảy ra khi màng thụ động hay lớp bảo vệ bị phá hủy ở một vài khu vực dẫn tới sự tạo thành các vùng anot nhỏ. Cường độ ăn mòn có thể quan sát 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
được tại các khu vực này vì phần còn lại của bề mặt bị ăn mòn ở tốc độ thấp hơn nhiều. Tuy nhiên, do màng oxit bị phá hủy, vùng anot nhỏ hơn so với vùng catot khá lớn làm tăng tỷ lệ diện tích catot/anot, tỷ lệ này xác định mức độ ăn mòn cục bộ và ăn mòn piting. Ăn mòn cục bộ cũng xảy ra khi vật liệu được bảo vệ bằng lớp phủ mà lớp phủ có một vài khiếm khuyết, các khiếm khuyết sẽ là nơi xảy ra ăn mòn cục bộ. Ăn mòn cục bộ cũng xảy ra dưới lớp kết tủa giữa hai pha kế tiếp nhau. Khu vực nhỏ này có môi trường rất khác nhau so với toàn khối vật liệu gây ra ăn mòn khe. 1.2. Khái quát về thép 1.2.1. Khái niệm về thép [7] Thép là hợp kim của sắt (Fe) với cacbon (C) từ 0,02 đến 2,06% theo trọng lượng và một số nguyên tố hóa học khác (Mn, Cr, Ni…). Thép tuy cứng nhưng dẻo hơn gang, dễ rèn và dễ cán kéo. Khi được làm nguội nhanh (tôi thép) trở nên rất cứng và khi được làm nguội chậm, thép trở nên mềm hơn. 1.2.2. Phân loại thép theo thành phần hóa học [7] a. Thép cacbon: Chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tổng sản lượng thép (chiếm khoảng 80 - 90 %). Thép cacbon được chia thành thép mềm, thép trung và thép cao - Thép mềm: chứa 0,2 % C - Thép trung: chứa 0,3 - 0,6% C - Thép cacbon cao: chứa 0,6 - 0,7 % C b. Thép hợp kim: Hay còn gọi là thép đặc biệt, ngoài những tạp chất có sẵn trong thép cacbon, còn chứa lượng lớn của một hay một số kim loại được đưa thêm vào như Al, Cr, Co, Mo, Ni, Mn, Ti, W, V, kim loại đất hiếm. Thép có độ bền cao hơn hẳn thép cacbon, nhất là sau khi tôi. Đối với thép hợp kim có thể phân loại thành: - Thép hợp kim thấp: hàm lượng các nguyên tố hợp kim trong thép < 2,5 %. - Thép hợp kim trung bình: Hàm lượng các nguyên tố hợp kim 2,5 - 10 %. - Thép hợp kim cao: hàm lượng các nguyên tố hợp kim > 10%. 1.2.3. Ứng dụng của thép 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Thép có ứng dụng rất lớn trong đời sống, trong xây dựng, thép dùng để chế tạo nhiều chi tiết máy, vật dụng, dụng cụ lao động. Thép được dùng làm vật liệu xây dựng, chế tạo phương tiện giao thông vận tải. Thép mềm được dùng làm vỏ xe oto, thép sợi, ống, bulong. Thép chứa cacbon trung bình: hàm lượng cacbon trong thép chiếm 0,25 - 0,6 %. Thép này có độ bền, độ cứng cao dùng để chế tạo các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và chịu va đập cao. Thép chứa nhiều cacbon: hàm lượng cacbon trong khoảng 0,6 - 2,14 %. Thép này dùng để chế tạo các dụng cụ cắt, khuân dập, dụng cu đo lường. Các loại thép không gỉ và thép gỉ chuyên dùng có ít nhất 10% crom, trong nhiều trường hợp có kết hợp với niken ứng dụng nhiều trong công nghiệp nội thất. 1.2.4. Sự ăn mòn thép a. Sự ăn mòn thép cacbon Thép cacbon là thép có hai thành phần chính là sắt và cacbon, hàm lượng các nguyên tố khác có mặt không đáng kể. Trong không khí khô thép không bị ăn mòn vì có lớp màng mỏng chặt khít oxit bảo vệ, nhưng ở nhiệt độ cao bị ăn mòn. Trong không khí ẩm, ở nhiệt độ thường trên bề mặt thép có màng nước quá trình ăn mòn xảy ra theo cơ chế điện hóa: Phản ứng anot: Fe + HOH → FeOH+ + H+ + 2e FeOH+ + HOH → FeOOH + 2H+ + 2e Phản ứng này khống chế sự ăn mòn thép trong khí quyển. Phản ứng catot: FeOOH + e → Fe2O3 + H2O + OH- Tiếp theo oxit sắt tác dụng với nước và oxi. 1 3 Fe3O4 + O2 + H2O → 3FeOOH 2 4 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Thông thường trong không khí, FeOH+ và OH- tác dụng với O2 và nước tạo thành hidroxit, oxit sắt (III) và chúng tạo thành lớp rỉ sắt. Theo thời gian rỉ sắt phát triển thành các lớp xốp và làm giảm tốc độ ăn mòn thép. Trong môi trường axit, tốc độ ăn mòn thép phụ thuộc vào phản ứng catot và thép bị ăn mòn đáng kể nếu không được bảo vệ. 1.2.5. Sự ăn mòn thép hợp kim thấp Thép hợp kim thấp gồm sắt và một lượng nhỏ khoảng dưới 2% các nguyên tố hợp kim Cu, Ni, Cr, P: có độ bền chống ăn mòn cao đối với môi trường ăn mòn khí quyển. Trên bề mặt thép hợp kim thấp tạo ra lớp oxit Fe2O3 có cấu trúc sít chặt ngăn cản sự tác động của môi trường làm giảm quá trình gỉ hóa tiếp theo. Lớp bảo vệ này bền trong môi trường khí quyển hay khi thay đổi thời tiết. Thép này được gọi là “thép thời tiết” và được dùng rộng rãi trong công nghiệp. Khi có mặt ion Cl- trong các vùng khí hậu biển và ven biển khi nhúng vào nước, lớp oxit này không bền vững. Trong điều kiện khí hậu biển thường sử dụng thép hợp kim hóa chứa các nguyên tố Ni, Cr hoặc Mo. Thép hợp kim thấp nhạy cảm với hiện tượng ăn mòn nứt khi tiếp xúc với các môi trường chứa các ion NO3-, OH- và NH3 lỏng. 1.3. Sử dụng các chất ức chế bảo vệ chống ăn mòn kim loại 1.3.1. Giới thiệu về chất ức chế chống ăn mòn kim loại [6] Chất ức chế là những hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ mà khi thêm một lượng rất nhỏ vào môi trường ăn mòn có tác dụng kìm hãm tốc độ ăn mòn kim loại. Chất ức chế ăn mòn được sử dụng rộng rãi để bảo vệ bên trong đường ống, bình chứa thép cacbon cũng như cho các vật liệu khác như thép hợp kim, lớp phủ.. Các nghành công nghiệp sử dụng chất ức chế chống ăn mòn kim loại nhiều là: công nghiệp khai thác khí và dầu, tinh chế dầu, công nghiệp nặng, cầu đường, vỏ tầu.. Chất ức chế tạo thành một lớp bảo vệ in situ bằng cách phản ứng với dung dịch hay với bề mặt ăn mòn. Sự ức chế ăn mòn là thuận nghịch và một hàm lượng tối thiểu của hợp chất ức 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn