Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tính chất điện hóa và khả năng ức chế ăn mòn thép cacbon thấp trong môi trường axit của một số hợp chất có nguồn gốc tự nhiên

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

63
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nhằm mục đích tìm kiếm, nghiên cứu đặc trưng điện hóa và khả năng bảo vệ thép cacbon thấp khỏi sự ăn mòn trong môi trường axit của các chất ức chế xanh, có nguồn gốc tự nhiên, thân thiện với môi trường nhằm thay thế một số chất ức chế truyền thống độc hại, gây ô nhiễm môi trường.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tính chất điện hóa và khả năng ức chế ăn mòn thép cacbon thấp trong môi trường axit của một số hợp chất có nguồn gốc tự nhiên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VIỆN HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRƯƠNG THỊ THẢO NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA VÀ KHẢ NĂNG ỨC CHẾ ĂN MÒN THÉP CACBON THẤP TRONG MÔI TRƯỜNG AXIT CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT CÓ NGUỒN GỐC TỰ NHIÊN Chuyên ngành : Hóa lý – Hóa lý thuyết Mã số : 62.44.31.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội – Năm 2012
Luận án được hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Lê Quốc Hùng 2. PGS.TS. Vũ Thị Thu Hà Phản biện 1: PGS.TS. Trịnh Xuân sén Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Thị Bích Thủy Phản biện 3: PGS.TS. Đào Quang Liêm Luận sẽ được bảo vệ tại: Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi 9 giờ 00 phút ngày 26 tháng 06 năm 2012 Có thể tìm hiểu luận án tại: 1. Thư viện Quốc gia Hà Nội 2. Thư viện Viện Hóa học- Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Từ khi kim loại được tìm ra và đưa vào cuộc sống, con người đã đạt được một bước tiến lớn trong lịch sử văn minh loài người. Từ đó cho đến nay, kim loại đã trở thành một nguyên vật liệu thiết yếu đối với đời sống và sản xuất. Tuy nhiên, trong các điều kiện tự nhiên, kim loại dần bị ăn mòn. Các kim loại ít bị ăn mòn như vàng, bạc, platin thì đắt, trữ lượng nhỏ. Các kim loại phổ biến hơn như sắt thì lại dễ bị ăn mòn. Chi phí cho việc sửa chữa, thay thế các vật liệu, thiết bị, phương tiện bị ăn mòn không nhỏ chưa kể đến các chi phí phát sinh khác. Vì vậy, song song với việc sử dụng kim loại thì con người cũng phải tìm cách hạn chế quá trình ăn mòn xảy ra. Có nhiều phương pháp bảo vệ kim loại (và 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, muối photphat, các amin hữu cơ,… Tuy nhiên, nhiều trong số các chất này rất độc hại cho con người và môi trường. Hiện nay, vấn đề này đã trở thành một trong những tiêu chí hàng đầu khi lựa chọn một chất đưa vào sử dụng, nhiều chất ức chế truyền thống đã bị hạn chế, thậm chí cấm sử dụng do ảnh hưởng độc hại của chúng với con người và môi trường. Một xu hướng nghiên cứu mới đối với các nhà nghiên cứu ăn mòn ở Việt Nam cũng như trên thế giới, đó là tìm kiếm các chất ức chế thân thiện môi trường - ức chế xanh. Dịch chiết cây trồng có thành phần hữu cơ đa dạng, có khả năng hấp phụ lên bề mặt kim loại để hạn chế ăn mòn mà lại dễ kiếm, dễ chế biến, giá thành không cao; những chất có nguồn gốc cây trồng có thể tổng hợp được dễ mà không độc hại đang được nghiên cứu. Ngoài ra còn một số nghiên cứu sử dụng nhựa cây, mật mía) mật ong, dầu thực vật,… thuốc và các hợp chất của các nguyên tố đất hiếm. Ở nước ta, với phân loại thực vật đa dạng, hướng nghiên cứu này còn khá mới mẻ, mới bắt đầu trong vài năm gần đây. Chính vì vậy việc nghiên cứu các chất ức chế ăn mòn xanh thân thiện với môi trường từ các cây trồng nhiệt đới là một hướng đi quan trọng và phù hợp với nước ta. Do đó chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tính chất điện hóa và khả năng ức chế ăn mòn thép cacbon thấp trong môi trường axit của một số hợp chất có nguồn gốc tự nhiên”.
2 2. Mục đích nghiên cứu luận án Tìm kiếm, nghiên cứu đặc trưng điện hóa và khả năng bảo vệ thép cacbon thấp khỏi sự ăn mòn trong môi trường axit của các chất ức chế xanh, có nguồn gốc tự nhiên, thân thiện với môi trường nhằm thay thế một số chất ức chế truyền thống độc hại, gây ô nhiễm môi trường. 3. Nội dung của luận án Luận án gồm 130 trang bao gồm: Mở đầu 5 trang, tổng quan tài liệu 31 trang, thực nghiệm 19 trang, kết quả và thảo luận 61 trang, kết luận 2 trang, danh mục công trình đã công bố 1 trang, tài liệu tham khảo 9 trang, phụ lục 3 trang. Trong luận án có 21 bảng, 62 hình và đồ thị với nội dung: - Tách, chiết lấy dịch chiết (cao chiết) một số cây trồng phổ biến ở địa phương (Thái Nguyên) như từ cây chè và thuốc lá. - Khảo sát khả năng ức chế ăn mòn thép trong môi trường axit của các sản phẩm chiết thu được. Lựa chọn sản phẩm chiết ổn định, có hiệu quả ức chế ăn mòn tốt thực hiện các nghiên cứu sâu hơn. - Xác định thành phần hóa học của sản phẩm chiết được, tách phân đoạn hoặc tách lấy tinh chất phục vụ nghiên cứu hiệu quả ức chế ăn mòn. - Bước đầu giải thích cơ chế ức chế ăn mòn của các chất ức chế thử nghiệm và tính toán các thông số nhiệt động học của quá trình. 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án Luận án đã khảo sát bằng thực nghiệm một cách hệ thống về khả năng ức chế chống ăn mòn đối với thép cacbon thấp trong môi trường axit của các cao chiết chè, thuốc lá, một số sản phẩm tách từ chè Thái Nguyên. Số liệu thực nghiệm đã chỉ rõ các thông số thực nghiệm về điều kiện bảo vệ ức chế ăn mòn như nồng độ, thời gian, nhiệt độ cũng như phương pháp tiến hành thực nghiệm và tính toán kết quả; chứng minh có thể hạn chế ăn mòn thép cacbon thấp trong môi trường axit bằng cao chiết chè, thuốc lá cũng như một số sản phẩm tách được từ chè. Luận án cũng tính toán được các thông số nhiệt động học quá trình hấp phụ, quá trình ăn mòn và ức chế ăn mòn. Đây là các số liệu mới có giá trị, đóng góp cả về mặt thực tiễn và lý thuyết cho chuyên ngành nghiên cứu hấp phụ, xử lý bề mặt và bảo vệ kim loại. Hơn nữa, kết quả luận án còn góp phần định hình một hướng nghiên cứu mới, phù hợp với xu thế chung trên thế giới cũng như các điều kiện của Việt Nam: Tìm kiếm, thử nghiệm các chất ức chế xanh thân thiện môi trường. Luận án còn đóng góp vào việc khẳng định khả năng tự điều chế
3 các chất ức chế ăn mòn, đáp ứng được yêu cầu nghiên cứu và hướng tới việc ứng dụng trong nước. 5. Điểm mới của luận án - Đây là luận án đầu tiên ở Việt Nam tiến hành nghiên cứu về khả năng ức chế ăn mòn kim loại của một số chất ức chế xanh thân thiện môi trường. - Chiết, tách được một số chất ức chế ăn mòn có hiệu quả khá cao từ các cây trồng phổ biến tại địa phương: Cao chiết thuốc lá trong nước, cao chiết chè trong nước, cặn nước của cao chiết chè trong nước, caffein trong chè Thái Nguyên. Kết quả cho thấy hiệu quả ức chế của các chất khảo sát là có thể so sánh với chất ức chế hóa học truyền thống như urotropin. Đây là cơ sở cho việc tiến tới ứng dụng các chất ức chế xanh trong bảo vệ chống ăn mòn kim loại. - Chứng tỏ quá trình ức chế ăn mòn thép của các dịch chiết cây trồng theo cơ chế hấp phụ vật lý đơn lớp. Quá trình hấp phụ này tuân theo quy luật hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có hiệu chỉnh hệ số tuyến tính. - Tính toán các thông số nhiệt động học quá trình ăn mòn và quá trình hấp phụ của chất ức chế. Chứng minh được quá trình hấp phụ là quá trình tự diễn biến (∆G0), năng lượng hoạt hóa quá trình ăn mòn tăng khi dung dịch có mặt chất ức chế. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU - Tổng quan các vấn đề về ăn mòn kim loại: định nghĩa, phân loại, khái quát về thép và ăn mòn thép. - Tổng quan sơ lược về các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại đã và đang được áp dụng hiện nay. - Tổng quan về tình hình nghiên cứu chất ức chế bảo vệ chống ăn mòn kim loại hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới, đặc biệt về chất ức chế xanh thân thiện môi trường. Giới thiệu về cây chè, cây thuốc lá ở Thái Nguyên. - Tổng quan sơ lược về các phương pháp khảo sát thành phần hóa học mẫu thực vật; các phương pháp nghiên cứu ăn mòn kim loại. CHƯƠNG 2.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM Trình bày các vấn đề: 2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị
4 2.2. Điều chế các chất ức chế ăn mòn kim loại. 2.3. Thử nghiệm ăn mòn - Đối tượng mẫu nghiên cứu: thép CT38, thép so sánh - Chuẩn bị mẫu: chế tạo mẫu, xử lý mẫu trước và sau thử nghiệm theo các phương pháp nghiên cứu khác nhau, cách bảo quản mẫu. - Chuẩn bị dung dịch thực nghiệm. - Điều kiện thực nghiệm: các thông số thời gian, chế độ đo điện hóa. CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát ức chế ăn mòn thép bằng các sản phẩm chiết từ các mẫu thực vật 3.1.1.Chiết mẫu thực vật Lá chè xanh, thuốc lá chiết theo quy trình thu được sản phẩm gọi là cao chiết. Kết quả chiết thu đươc trong bảng 3.1. Bảng 3.1: Tỷ lệ khối lượng cao chiết so với khối lượng mẫu thực vật khô Stt mẫu Dung môi Ký hiệu mo(g) msp(g) H (%) 1 Chè C2H5OH E(C) 250 65,39 26,16 2 xanh H2O W(C) 500 71,53 14,31 3 Thuốc CH3OH:H2O = 8:2 M80(T) 200 38,00 19,00 4 lá H2O W(T) 500 44,79 8,96 Hiệu suất chiết bằng các dung môi hữu cơ luôn cao hơn dung môi nước. 3.1.2. Khảo sát khả năng ức chế ăn mòn thép của các cao chiết thu được Các cao chiết được pha trong dung dịch nền (HCl 1M; HCl 0,01M) ở nồng độ 0,1g/l; 0,5g/; 1,0g/l và 5,0g/l thử nghiệm ức chế ăn mòn thép cacbon. 3.1.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ cao chiết a) Đối với mẫu thép CT38 Điện cực thép CT38 ngâm 60 phút trong dung dịch HCl 1M chứa các cao chiết ở các nồng độ khác nhau, sau đó tiến hành đo điện trở phân cực và đường cong phân cực ở nhiệt độ phòng (hình 3.1).
5 4.00 4 3 3.00 b)M80(T) 2.00 1.00 j(mA/cm^2) 0.00 -1.00 -2.00 -3.00 -4.00 1 -5.00 2 -6.00 a)E(C) -0.55 -0.5 -0.45 -0.4 -0.35 U(V) 1- 0,0g/l; 2 – 0,5g/l; 3 – 1,0g/l; 4 – 5,0g/ d) W(T) c) W(C) d) W(T) 1- 0,0g/l; 2 – 0,1g/l; 3 – 0,5g/l; 4 – 1,0g/l; 5 – 5,0g/l Hình 3.1: Đường cong phân cực dạng log của thép CT38 ngâm 60 phút trong môi trường HCl 1M có mặt các cao chiết ở các nồng độ khác nhau tại nhiệt độ phòng Từ các kết quả thu được cho thấy: Khi tăng nồng độ cao chiết từ 0,1g/l đến 1,0g/l, hiệu quả ức chế ăn mòn tăng rõ rệt nhưng khi nồng độ cao chiết tăng từ 1,0g/l đến 5,0g/l thì hiệu quả bảo vệ tăng không đáng kể. ở cùng nồng độ thì cao chiết chè nước W(C) và cao chiết thuốc lá nước W(T) có khả năng ức chế ăn Hình 3.2. mòn cao hơn so với các cao chiết Hiệu quả ức chế ăn mòn thép CT38) bằng dung môi hỗn hợp M80(T) và trong dung dịch HCl 1M của các cao dung môi hữu cơ E(C). chiết với nồng độ khác nhau b) Đối với thép so sánh Nghiên cứu tương tự thực hiện đối với thép so sánh. Kết quả tính toán các đặc trưng quá trình ăn mòn từ phép đo điện trở phân cực dựng được đồ thị hình 3.4.
6 Các kết quả nghiên cứu cho thấy: Khi nồng độ các coa chiết tăng, nói chung tốc độ ăn mòn giảm dần. Kết quả này tương tự với thép CT38. Trong các nghiên cứu tiếp théoẽ chỉ tập trung nghiên cứu thép Ct38, một sản phẩm sản xuất tại Thái Nguyên và được thị trường các tỉnh phía Bắc Hình 3.4. sử dụng rộng rãi. Hiệu quả ức chế ăn mòn thép so sánh Dung môi metanol:nước = 80:20 trong dung dịch HCl 1M của các cao hoặc etanol là những dung môi tối ưu chiết với nồng độ khác nhau để chiết tách các hợp chất có thể có trong cây trồng, do đó, thành phần hóa học trong hai cao chiết M80(T) và E(C) phức tạp, chứa cả các hợp chất có hoạt tính điện hóa kém. Đó có thể là nguyên nhân làm giảm khả năng ức chế ăn mòn của hai cao chiết này so với các cao chiết trong nước. Do đó, trong các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào hai cao chiết trong nướcW(C) và W(T). 3.1.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ axit Đường cong phân cực thép CT38 trong dung dịch HCl 1M và HCl 0,01M có mặt W(C) nồng độ khác nhau đo sau 60 phút ổn định mẫu cho trên hình 3.5 và hình 3.6. Hình 3.5: Đường cong phân cực dạng Hình 3.6: Đường cong phân cực dạng log của thép CT38 trong dung dịch HCl log của thép CT38 trong dung dịch HCl 1M có mặt W(C) ở các nồng độ khác 0,01M có mặt W(C) ở các nồng độ khác nhau nhau 1 – 0,0g/l2 – 0,1g/l 3 – 0,5g/l 1 – 0,0g/l 2 – 0,5g/l 3 – 1,0g/l’ 4 – 1,0g/l5 – 2,0g/l 6 – 5,0g/l 4 – 2,0g/l 5 – 5,0g/l 6 – 10,0g/l Kết quả tính toán dựng được đồ thị hình 3.7. Từ hình 3.5 – 3.7 dễ dàng nhận thấy: Khả năng ức chế ăn mòn thép CT38 của cao chiết W(C) trong dung dịch HCl 1M tốt hơn trong dung dịch axit HCl 0,01M.
7 Hình 3.7: Hiệu quả ức chế ăn mòn thép CT38 trong môi trường axit HCl nồng độ khác nhau theo nồng độ cao chiết. 3.1.2.3. Ảnh hưởng của thời gian Điện cực thép CT38 đã được ngâm trong các dung dịch nghiên cứu trong các khoảng thời gian khác nhau, sau đó ghi đường trở phân cực và đường cong phân cực. Kết quả tính toán dựng được đồ thị hình 3.9. Kết quả cho thấy, hiệu quả ức chế tăng mạnh khi thời gian ngâm mẫu tăng từ 0 đến 30 phút, tăng nhẹ khi kéo dài tới Hình 3.9: Sự thay đổi hiệu quả ức 60 phút và tương đối ổn định cho tới chế ăn mòn thép CT38 trong dung 330 phút (5h) ngâm mẫu. Chứng tỏ ở dịch HCl 0,01M của các cao chiết hai nồng độ này, hai cao chiết ức chế khác nhau theo thời gian. ăn mòn ổn định khi kéo dài thời gian làm việc. 3.1.3. Kết hợp một số phương pháp nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ ăn mòn thép CT38 bằng một số chất ức chế khác nhau a) Phương pháp tổn hao khối lượng Mỗi thử nghiệm gồm ba mẫu, 9 tính tốc độ ăn mòn trung bình và 8 tốc độ ăn mòn (mg/cm2.ngày) dựng đồ thị hình 3.10. Kết quả thực 7 6 HCl 0,01M nghiệm này cho thấy: khi đặt trong 5 W(C) 2g/l 4 W(T) 2g/l dung dịch có thêm các chất ức chế, 3 Urotropin 7g/l tốc độ ăn mòn trung bình của thép 2 1 giảm rõ rệt so với đạt trong dung dịch 0 0 2 4 6 8 10 12 nền. Hiệu suất bảo vệ khá cao, đạt Thời gian (ngày) >80%. Cao chiết chè nước W(C) và Hình 3.10 : Tốc độ ăn mòn trung bình thuốc lá nước W(T) có khả năng ức thép CT38 theo thời gian trong môi chế ăn mòn gần tương đương so với trường HCl 0,01M có mặt các chất ức chất ức chế truyền thống là urotropin. chế theo phương pháp tổn hao khối lượng
8 b) Phương pháp điện hóa: Đường cong phân cực thép CT38 trong các dung dịch thử nghiệm theo thời gian trên hình 3.11. a) 1 ngày b) 3 ngày c) 6 ngày d) 10 ngày Hình 3.11 : Đường cong phân cực dạng log của thép CT38 trong dung dịch HCl 0,01M không và có mặt các chất ức chế theo thời gian ngâm tại nhiệt độ phòng. 1 - nền HCl 0,01M 2 - nền + W(C) 2,0g/l 3 - nền + W(T) 2,0g/l 4 - nền + urotopin 7,0g/l Hình 3.11 cho thấy: đường cong phân cực dạng log của thép CT38 trong dung dịch HCl 0,01M có mặt các chất ức chế đều giảm mật độ dòng anot và catot so với đường đo trong dung dịch nền, dạng đường đo trong dung dịch có mặt cao chiết chè nước W(C) và cao chiết thuốc lá nước W(T) gần trùng nhau và cao hơn một chút so với đường đo trong dung dịch có mặt urotropin. Có thể sơ bộ đánh giá: các chất sử dụng đều có khả năng ức chế cho quá trình ăn mòn thép CT38 trong dung dịch HCl 0,01M khi thời gian ngâm kéo dài từ 1 đến 10 ngày, tuy nhiên khả năng ức chế của hai cao chiết sử dụng W(C) và W(T) còn chưa tốt bằng urotropin c) Phương pháp tổng trở Hình ảnh phổ tổng trở thép CT38 trong các dung dịch thử nghiệm theo thời gian ghi trên hình 3.13
9 Nyquist (Def) Nyquist (Def) EISM71HClche1h EIS-M48-HClnen-1h (Ovl) EIS-M48-HClnen-5h (Ovl) EISM71HClche5h Nyquist (Def) EISM51HClT la1h (Ovl) EIS-M48-HClnen-1ng (Ovl) EISM71HClche1ng (Ovl ) EISM51HClT la5h 500 (Ovl) EIS-M48-HClnen-3ng (Ovl) EISM71HClche3ng (Ovl ) EISM51HClT la1ng (Ovl) EIS-M48-HClnen-7ng 1500 (Ovl) EISM71HClche6ng 3000 (Ovl ) EISM51HClT la3ng (Ovl) EIS-M40 -HCl 10ng (Ovl) EIS-M44 HCl+DC 10ng (Ovl ) EISM51HClT la6ng 400 (Ovl ) EIS-M63-HCL+DCTla-10ng 1000 Z im ( o h m s ) 300 Z im (oh m s ) Zim (ohms) 2000 200 500 100 1000 0 0 -100 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 1000 2000 3000 0 1000 2000 3000 4000 5000 Zre (ohms) Zre (ohms) Zre (ohms) (a) HCl 0,0 1M b) HCl 0,01M+W(C)2g/l (c) HCl 0,01M+W(T)2g/l Nyquist (Def) EIS-M78-HCl+U-1h (Ovl) EISM55HClU5h 1200 (Ovl) EIS-M78-HCl+U-1ng d (Ovl) EIS-M78-HCl+U-3ng (Ovl) EISM55HClU6ng 1000 Hình 3.13: Phổ tổng trở Nyquist của điện cực (Ovl) EISM55HClU10ng 800 thép CT38 trong môi trường HCl 0,01M có Z im (ohms ) 600 và không có chất ức chế theo thời gian ngâm. 400 200 (d) HCl 0,01M+U 7g/l 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Zre (ohms) So sánh các giá trị tổng trở thì tổng trở điện cực thép CT38 trong dung dịch HCl 0,01M có mặt cao chiết thuốc lá nước W(T) lớn nhất rồi đến trong dung dịch có mặt cao chiết chè nước W(C) rồi mới đến dung dịch có mặt urotropin. Như vậy, cao chiết thuốc lá và chè trong nước W(C), W(T) có khả năng ức chế ăn mòn cho thép CT38 trong môi trường HCl 0,01M, hiệu quả bảo vệ có thể hơn so với chất ức chế truyền thống là urotropin. Khi kéo dài thời gian thử nghiệm thì hiệu quả bảo vệ nói chung giảm sau 3 ngày (thuốc lá, urotropin), tác dụng dài nhất là chè xanh đến 6 ngày. d) Phương pháp quan sát bề mặt vi mô SEM Hình 3.14-3.16 là ảnh SEM bề mặt thép CT38 sau từng thời gian thử nghiệm trong các dung dịch nghiên cứu, độ phóng đại 200 - 500 lần. a) nền HCl 0,01M b) nền+W(C) 2,0g/l c) nền+W(T) 2,0g/l d) nền+U 7,0g/l Hình 3.14: Ảnh SEM mẫu thép CT38 trong dung dịch HCl 0,01M có các chất ức chế khác nhau sau 3 ngày ngâm ở nhiệt độ phòng.
10 (a) nền HCl 0,01M (b) nền+W(C) 2,0g/l (c) nền+W(T) 2,0g/l (d) nền+U 7,0g/l Hình 3.15: Ảnh SEM mẫu thép CT38 trong dung dịch HCl 0,01M có các chất ức chế khác nhau sau 6 ngày ngâm ở nhiệt độ phòng. (a) nền HCl 0,01M (b) nền+W(C) 2,0g/l (c) nền+W(T) 2,0g/l (d) nền+U 7,0g/l Hình 3.16: Ảnh SEM mẫu thép CT38 trong dung dịch HCl 0,01M có các chất ức chế khác nhau sau 10 ngày ngâm ở nhiệt độ phòng. Quan sát các hình 3.14 – 3.16 cho thấy: trong dung dịch nền, bề mặt mẫu bị phá hủy nghiêm trọng, khi có các chất ức chế thì mức độ phá hủy bề mặt giảm đáng kể. Sau 3 ngày ngâm thì bề mặt mẫu trong dung dịch có Urotropin ít phá hủy nhất nhưng khi thời gian tăng lên 6 đến 10 ngày thì mức phá hủy bề mặt lại mạnh hơn khi trong dung dịch có W(C) 2,0g/l hoặc W(T) 2,0g/l. Như vây, kết quả nghiên cứu bằng các phương pháp khác nhau tương đối phù hợp với nhau: cao chiết chè và thuốc lá trong nước có khả năng ức chế ăn mòn thép CT38 trong dung dịch HCl 0,01M với hiệu quả không thua kém một chất ức chế truyền thống là urotropin. Hiệu quả bảo vệ khá ổn định theo thời gian. Chè là cây trồng nổi tiếng và có sản lượng lớn ở Thái Nguyên. Do đó trong các nghiên cứu tiếp theo sẽ tiếp tục trên đối tượng này. 3.2. Ức chế ăn mòn thép CT38 trong môi trường axit bằng các sản phẩm tách từ cao chiết chè trong nước 3.2.1. Tách và khảo sát thành phần hóa học cao chè nước Cao chè nước W(C) được tách theo sơ đồ hình 2.1. Hàm lượng các phân đoạn tách được ghi trong bảng 3.8. Hàm lượng cặn nước (W) là cao nhất, chứng tỏ việc chiết là chè bằng nước tách được chủ yếu các hợp chất có tính phân cực cao.
11 Bảng 3.8: Hàm lượng các phân đoạn tách cao chiết W(C). Tên Hiệu suất Stt msp (g) cặn (%) 1 H 0,058 0,19 2 D 0,700 2,30 3 EA 2,058 6,75 4 B 2,332 7,65 4 W 25,033 82,12 Cặn H và D tách ra dạng bột đem chụp phổ cộng hưởng Hình 2.1: Sơ đồ tách cao chè nước từ hạt nhân xác định được thành phần chính là caffein Hình 3.17: Ảnh phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C – 1H cặn D 3.2.2. Khả năng ức chế ăn mòn thép CT38 trong môi trường axit của các cặn chiết phân đoạn từ cao chiết chè Các phân đoạn tách từ cao chiết chè nước W(C) được sử dụng làm các chất ức chế ăn mòn thép CT38 trong dung dịch axit ở hai nồng độ 0,1g/l và 1,0g/l. Thực nghiệm ghi lại đường điện trở phân cực và đường cong phân cực điện cực sau khi ổn định 60 phút trong các dung dịch thử nghiệm. Kết quả tính toán từ đường điện trở phân cực xây dựng đồ thị 3.20.
12 a) Trong HCl 0,01M b) Trong HCl 1M Hình 3.20: Tốc độ ăn mòn thép CT38 ngâm 60 phút tại 25oC trong các dung dịch HCl có mặt các chất ức chế khác nhau Từ hình 3.20 ta thấy: Trong dung dịch HCl 0,01M có mặt các cặn phân đoạn nồng độ 0,1g/l, hiệu quả ức chế của các cặn phân đoạn không khác nhiều cao chiết tổng khi chưa phân tách. Ở nồng độ các cặn phân đoạn 1,0g/l thì trừ cặn H, sự có mặt các cặn khác đều làm giảm tốc độ ăn mòn thép so với dung dịch có mặt cao chiết chè trong nước chưa phân tách W(C). Trong đó cặn D, B và cặn W có hiệu quả cao hơn hẳn ở nồng độ 1g/l (~68%, ~72% và ~63% so với ~51,74% của dịch W(C). Caffein có hàm lượng khá cao trong chè xanh, dễ tách nên caffein sẽ được tách và cùng với cặn W sử dụng làm chất ức chế ăn mòn thép CT38 trong các nghiên cứu sâu hơn tiếp theo. 3.2.3. Khảo sát một số yếu tố trong sự ức chế ăn mòn thép CT38 trong môi trường axit của cặn nước tách từ cao chiết chè 3.2.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ axit và nồng độ cặn chiết Hình 3.21 và 3,22 ghi lại đường cong phân cực thép CT38 trong dung dịch HCl 1M và HCl 0,01M có mặt cặn W các nồng độ từ 0,1g/l đến 10,0g/l sau khi ổn định 60 phút. Hình 3.21: Đường cong phân cực Hình 3.22: Đường cong phân cực dạng log của thép CT38 trong dung dạng log của thép CT38 trong dung dịch HCl 0,01M có mặt cặn W ở các dịch HCl 1M có mặt cặn chiết nước nồng độ khác nhau. ở các nồng độ khác nhau 1 – 0,0g/l 2 – 0,1g/l 3 – 0,5g/l 1 – 0,0g/l 2 – 0,1g/l 3 – 0,5g/l 4 – 1,0g/l 5 – 5,0g/l 6 – 10,0g/l 4 – 1,0g/l 5 – 2,0g/l 6 – 5,0g/l 7 – 10,0g/l
13 Hình 3.21 và 3.22 cho thấy trong dung dịch HCl 0,01M, ở nồng độ dưới 1g/l của cặn W thì mật độ dòng catot trên đường cong phân cực đo được giảm không đáng kể so với đường đo trong dung dịch nền, chỉ có mật độ dòng anot giảm rõ rệt, ở nồng độ 1g/l đến 10g/l thì đường đo cong phân cực đo được đều có mật độ dòng anot và catot giảm mạnh. Trong dung dịch HCl 1M thì mật độ dòng anot và catot đều giảm rõ rệt so với đường đo trong dung dịch nền ở mọi nồng độ cặn W, nồng độ càng lớn mật độ dòng anot và catot càng giảm. Như vậy, cặn W cũng là chất ức chế hỗn hợp cho thép CT38 trong dung dịch HCl và tăng hiệu quả khi nồng độ tăng. 3.2.3.2. Ảnh hưởng của thời gian thử nghiệm Điện cực thép CT38 ngâm trong dung dịch HCl 0,01M có mặt cặn W nồng độ 1,0g/l các khoảng thời gian khác nhau rồi đo điện trở phân cực, đường cong phân cực. Kết quả tính toán từ đường đo điện trở phân cực dựng được đồ thị hình 3.24. 800 700 Điện trở phân cực (ohm) Hình 3.24: Sự thay đổi điện trở 600 500 phân cực quá trình ăn mòn thép 400 300 CT38 trong dung dịch HCl 0,01M 200 có mặt W(C) và W 1g/l theo thời 100 0 gian thử nghiệm 0 50 100 150 200 250 300 Thời gian (phút) nền + W(C) nền + cặn W Từ hình 3.24 nhận thấy: điện trở phân cực quá trình ăn mòn tăng nhanh từ 0 phút đến 60 phút thử nghiệm rồi khá ổn định khi thời gian thử nghiệm tăng, điều này giải thích là do quá trình hấp phụ các chất lên điện cực dần dần và đạt cân bằng ở khoảng 60 phút, sự hấp phụ này cũng khá bền vững, vì tốc độ ăn mòn gần như không tăng. Như vậy có thể sơ bộ kết luận, khả năng ức chế ăn mòn thép CT38 trong dung dịch axit của cao chiết chè nước W(C) chủ yếu do cặn W quyết định. a b c d Hình 3.25: Ảnh chụp bề mặt thép CT38 ngâm trong dung dịch HCl 1M (a,b) có mặt cặn W 5,0g/l (c,d) sau 1giờ ngâm ở 25oC)
14 Hình 3.25a và 3.25b là ảnh chụp bề mặt thép CT38 ngâm 1 giờ trong dung dịch HCl 1M ở độ phóng đại 50 lần và 500 lần cho thấy mức độ ăn mòn của mẫu khá mạnh. Mật độ trung tâm ăn mòn dày đặc và kích thước các điểm ăn mòn lớn. Hình 3.25c và 3.25d là ảnh chụp bề mặt thép CT38 ngâm trong dung dịch HCl 1M có mặt cặn nước W 5,0g/l sau 1 giờ ở độ phóng đại 500 và 2000 lần cho thấy bề mặt là hoàn toàn sạch, không quan sát thấy các trung tâm ăn mòn. Các kết quả này chứng minh cặn nước W ức chế ăn mòn rất tốt cho thép CT38 trong môi trường HCl 1M. 3.2.4. Tách caffein và khảo sát khả năng dùng caffein làm chất ức chế ăn mòn thép CT38 trong môi trường axit. 3.2.4.1. Tách và xác định caffein Caffein được tiến hành tách trực tiếp từ chè búp khô theo quy trình hình 3.26a. Kết quả chụp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (hình 3.26b ) chứng tỏ sản phẩm tách được là caffein. Hiệu quả thu hồi caffeine là ~1,6%. Hình 3.26a: Sơ đồ tách caffeine Hình 3.26b: Ảnh phổ cộng hưởng từ từ chè búp khô hạt nhân 13C-1H sản phẩm tách được 3.2.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ caffein a) Phương pháp tổn hao khối lượng Phương pháp tổn hao khối lượng thực hiện với thời gian ngâm mẫu 1 ngày. Kết quả tính toán trong bảng 3.13. Bảng 3.13 cho thấy: Ở nồng độ nhỏ (dưới 0,1g/l) hiệu quả bảo vệ rất thấp, mẫu bị ăn mòn rõ rệt, các mẫu sau khi ngâm chuyển sang màu đen, sủi bọt khí. Ở nồng độ caffein từ 1,0g/l trở nên mẫu được bảo vệ đáng kể, bằng mắt thường quan sát các mẫu trắng sáng và hầu như không sủi bọt khí. Hiệu quả bảo vệ cao nhất đạt 93,62% ở nồng độ dịch chiết 3,0g/l. Bảng 3.13: Các thông số quá trình thử nghiệm ăn mòn thép CT38 trong môi trường HCl 1M có mặt caffein nồng độ khác nhau theo phương pháp tổn hao khối lượng.
15 C 2 vtbx102 S(cm ) mo (g) mt (g) ∆m(g) H (%) (g/l) (g/cm2.ngày) 0,00 58,3438 45,0657 43,3952 1,6705 2,86 0,01 57,0492 44,8175 43,3257 1,4870 2,61 8,97 0,05 56,2482 44,6105 43,2945 1,3160 2,34 18,29 0,10 55,9998 43,9625 43,1627 0,7998 1,43 50,12 0,50 56,0838 44,0044 43,5954 0,4090 0,73 74,53 1,00 56,1758 44,5568 44,3573 0,1995 0,36 87,60 2,00 55,9326 44,2840 44,1128 0,1712 0,31 89,31 3,00 56,6104 44,5730 44,4696 0,1034 0,18 93,62 5,00 56,6766 45,0250 44,9057 0,1193 0,21 92,65 b) Phương pháp đo đường cong phân cực Hình 3.27: Đường cong phân cực dạng log của thép CT38 trong dung dịch HCl 1M có mặt caffein ở các nồng độ khác nhau 1 – 0,0g/l 2 – 0,01g/l 3 – 0,05g/l 4 – 0,5g/l 5 – 2,0g/l 6 – 3,0g/l Hình 3.27 cho thấy, khi nồng độ caffein tăng dần từ 0,01g/l đến 3,0g/l thì: Mật độ dòng anot giảm dần; Mật độ dòng catot hầu như không thay đổi ở nồng độ ≤ 0,05g/l) nhưng giảm rõ rệt khi nồng độ caffein tăng từ 0,1g/l đến 3,0g/l và giảm khá nhanh; Thế ăn mòn ban đầu dịch sang phía dương hơn so với khi không có chất ức chế nhưng khi nồng độ caffein tăng dần (≥ 0,5g/l) thì thế ăn mòn lại dịch dần sang phía âm. Như vậy, ở nồng độ nhỏ (≤ 0,05g/l) caffein thể hiện như một chất ức chế anot, ở nồng độ >0,05g/l, caffein hoạt động như một chất ức chế hỗn hợp. Kết quả tính toán cũng cho thấy: Ở nồng độ
16 Nyquist (Def) C2glA EISM67 1h (Ovl) C00A EISM12 1h (Ovl) C005glA EISM67 1h (Ovl) C01glA EISM12 1h CPE 400 (Ovl) C05glA EISM67 1h (Ovl) C1glA EISM12 1h (Ovl) C5glA EISM67 1h Rs 300 (Ovl) 3glA EISM16 1h Zim (ohms) 200 100 a 0 b Rp -100 0 100 200 300 400 500 600 Zre (ohms) Hình 3.28: Phổ tổng trở (a) và mạch tương đương (b) thép CT38 ngâm 60 phút trong dung dịch HCl 1M có mặt caffein nồng độ khác nhau ở 25oC Từ hình 3.28a ta thấy: phổ thu được chỉ gồm 1 bán nguyệt dạng nén, dữ liệu phổ được phân tích bằng thiết lập được mạch tương đương (hình 3.28b). Mạch gồm Rs là điện trở dung dịch, RP là điện trở chuyển điện tích của phản ứng ăn mòn và CPE là nguyên tố pha. Bảng 3.15: Các đặc trưng quá trình ăn mòn thép CT38 trong môi trường HCl 1M có mặt caffein nồng độ khác nhau ở 25oC theo phương pháp tổng trở C(g/l) Rs(Ω.cm2) RP(Ω.cm2) Q(µ µF/cm2) N µF/cm2) H(%) Cdl(µ 0,0 0,36 71,13 239,28 0,823 99,44 0,01 1,85 54,42 260,34 0,861 128,13 - 0,05 1,63 91,15 175,04 0,844 80,23 21,96 0,1 1,77 132,88 170,39 0,734 52,91 46,47 0,5 1,37 206,59 134,86 0,816 51,92 65,57 1,0 1,61 296,42 147,04 0,731 48,28 76,00 2,0 1,83 425,51 108,34 0,815 47,65 83,28 3,0 1,83 559,04 97,38 0,806 46,42 87,28 5,0 1,66 578,18 98,42 0,771 41,04 87,70 Tổng trở CPE tính theo phương trình: ZCPE = 1/Q.(jω)-n (3.7) Với Q = giá trị CPE, j là đơn vị ảo, ω là tần số góc = 2πf với f là tần số; n là hệ số nén. Khi n = 1 thì điện dung tính được là điện dung lớp kép Cdl. Trên thực tế, khi n~1 thì CPE đặc trưng cho điện dung lớp kép nhưng góc lệch pha chỉ xấp xỉ 90 độ, thường được sử dụng trong các hệ ăn mòn hay hệ hấp phụ. Giá trị điện dung lớp kép được tính từ công thức:
17 Cdl = Q(ωmax)n-1 (3.8) Với ωmax là tần số góc tại giá trị tổng trở ảo đạt giá trị lớn nhất. Các giá trị thu được từ bảng 3.15 cho thấy: - Ở nồng độ nhỏ (
18 trong nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ tới qua trình ăn mòn và ức chế ăn mòn thép CT38 trong dung dịch HCl 1M. 3.2.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ a) nền HCl 1M b) HCl 1M + caffein 3,0g/l Hình 3.30: Đường cong phân cực dạng log của thép CT38 trong dung dịch HCl 1M không và có mặt caffeine 3g/l ở các nhiệt độ khác nhau. 1 – 25oC; 2 – 35oC; 3 – 45oC Hình 3.30 cho thấy: Khi nhiệt độ tăng, trong dung dịch có hay không có caffein thì mật độ dòng anot và catot điện cực nghiên cứu trong các dung dihcj tương ứng đều giảm, ứng với tốc độ ăn mòn tăng. Điều này hoàn toàn phù hợp với thực tế và các lý thuyết. Tuy nhiên, hiệu quả bảo vệ của caffein 3,0g/l ở nhiệt độ khác nhau khá ổn định, nhiệt độ tăng nhưng hiệu quả bảo vệ giảm không đáng kể (25oC, H~83%; 35oC, H~82%; 45oC, H~78%). 3.2.4.4. Ảnh hưởng của thời gian thử nghiệm a) Phương pháp đo đường cong phân cực Hình 3.31: Đường cong phân cực dạng log của thép CT38 trong dung dịch HCl 1M có mặt caffein 3g/l ở các thời gian thử nghiệm khác nhau 1 – 30’ 2 – 60’ 3 – 300’ 4 –24h 5 – 144h Hình 3.31 cho thấy khi thời gian thử nghiệm kéo dài chỉ có đường cong phân cực đo ở thời điểm 30 phút có mật độ dòng anot lớn hơn đáng kể đường đo ở các thời điểm còn lại, các đường đo ở các thời điểm từ 60 phút đến 1 ngày gần như trùng nhau, Như vậy, quá trình tương tác (hấp phụ) giữa bề mặt thép và caffein có thể đạt tới cân bằng ở khoảng 60 phút.