MỞ ĐẦU Trong công nghiệp cũng như xây dựng dân dụng, kim loại đã được sử dụng từ lâu và rất phổ biến. Một vấn đề đặt ra là khi kim loại tiếp xúc với môi trường xung quanh, sự ăn mòn xảy ra thường xuyên dẫn đến giảm tuổi thọ của các thiết bị, công trình, gây tổn thất cho hệ sinh thái và thiệt hại cho nền kinh tế quốc dân. Theo đánh giá của liên hợp quốc, ăn mòn làm tổn thất đến 3% tổng sản phẩm quốc gia. Bởi vậy, nghiên cứu về ăn mòn và bảo vệ kim loại đã được quan tâm từ rất lâu.
Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, việc nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ kim loại là rất cần thiết. Có rất nhiều biện pháp khác nhau được sử dụng để hạn chế đến mức thấp nhất những thiệt hại do ăn mòn gây ra. Một trong những biện pháp đó là việc sử dụng các chất ức chế để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn. Để góp phần vào lĩnh vực nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu điều chế và khả năng ức chế chống ăn mòn kim loại trong môi trường chất điện li của một số hợp chất hữu cơ.” Đề tài bao gồm các nội dung sau: 1.
Tổng hợp các hợp chất hữu cơ 2-benzyliden-N-phenyl hydrazin cacbothioamit và dẫn xuất của nó(DBP). Tiến hành khảo sát khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 trong môi trường chất điện li là dung dịch HCl 2M, NaCl 3,5% của các hợp chất trên bằng phương pháp khối lượng và phương pháp điện hoá. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 trong môi trường axit HCl 2M của hợp chất trên. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.
Khái quát về ăn mòn kim loại [6, 10, 11, 13] 1. Khái niệm về ăn mòn kim loại Ăn mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại hoặc hợp kim do tác động lí hoá học của môi trường xung quanh. Hậu quả của sự ăn mòn kim loại là nguyên tử kim loại bị oxi hoá thành ion kim loại và mất đi những tính chất quý của kim loại: M - ne = Mn+ 1. Phân loại các quá trình ăn mòn kim loại Căn cứ vào môi trường và cơ chế của sự ăn mòn kim loại, người ta phân làm hai loại chính là ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hoá.
Ăn mòn hoá học [1, 6, 7] Ăn mòn hoá học là sự phá huỷ kim loại bởi phản ứng hoá học dị thể giữa bề mặt kim loại và môi trường phản ứng ở nhiệt độ cao. Kim loại bị chuyển thành ion kim loại và đi vào môi trường trong cùng một giai đoạn. Môi trường phản ứng là những chất khí có tính oxi hoá cao, ví dụ khí O2, khí Cl2, khí CO… Sự phá huỷ kim loại do các dung môi không nước cũng diễn ra theo cơ chế này. Đặc điểm của ăn mòn hóa học là không phát sinh dòng điện và nhiệt độ càng cao thì tốc độ ăn mòn càng lớn.
Ví dụ: quá trình oxy hoá kim loại bằng khí oxy (hoặc các khí khác như SO 2, các khí halogen, hơi H2O…) xảy ra ở nhiệt độ cao. Ăn mòn điện hoá [9, 10, 11] Ăn mòn điện hoá là sự phá huỷ kim loại do sự tương tác hoá học giữa kim loại và dung dịch chất điện li. Nói một cách khác là: sự ăn mòn điện hoá là phản ứng oxy hoá khử dị thể xảy ra trên bề mặt giới hạn tiếp xúc giữa kim loại và dung dịch chất điện li tại hai khu vực khác nhau: khu anot và khu catot có giá trị thế dương hơn khu anot. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com * Quá trình ăn mòn điện hoá xảy ra tương tự sự hoạt động của một pin điện bị khép kín mạch.
Trên bề mặt kim loại tồn tại các vùng anot và catot là do sự chênh lệch về thế trên bề mặt giới hạn pha (do sự có mặt của phụ gia hợp kim, do sự lệch mạng các tinh thể kim loại. Các phản ứng xảy ra như sau: Vùng anot xảy ra quá trình oxi hóa tức là kim loại bị hoà tan: Me - ne Men+ Ion kim loại trên bề mặt điện cực chuyển vào dung dịch đồng thời có electron dư trên kim loại. Các electron dư ở vùng anot được dịch chuyển đến vùng catot trên bề mặt kim loại. Vùng catot xảy ra các phản ứng: - Nếu môi trường ăn mòn là axít thì phản ứng catốt xảy ra nH+ + ne n/2H2 - Nếu môi trường là trung tính có dư khí O2 trên catốt xảy ra phản ứng n/4O2 + n/2H2O + ne = nOH - Do hai quá trình anốt và catốt diễn ra liên tục nên kim loại bị phá huỷ dần dần.
Ở quá trình anốt xảy ra sự oxy hoá kim loại trong khi ở quá trình catốt xảy ra sự khử các chất khử phân cực (chất nhận e). Quá trình chuyển kim loại thành ion gọi là quá trình anốt, nó luôn gắn liền với quá trình catốt - sự khử ion H+ hoặc O2 đồng thời sinh ra dòng điện. * Điều kiện xảy ra ăn mòn điện hoá - Các kim loại không nguyên chất hoặc hợp kim: kim loại-phi kim (gang, thép) hình thành các cặp điện cực khác nhau. - Các điện cực đó tiếp xúc với dung dịch chất điện li.
- Các điện cực tiếp xúc với nhau (trực tiếp hoặc gián tiếp) * Phân loại ăn mòn điện hoá, dựa theo hai qua điểm: Phụ thuộc vào môi trường ăn mòn: - Ăn mòn khí quyển: nghĩa là ăn mòn các kim loại trong khí quyển hay các khí ẩm ướt khác. - Ăn mòn trong chất điện li: axit, bazơ, muối… 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Ăn mòn dưới đất: ăn mòn kim loại đặt dưới mặt đất. - Ăn mòn điện: do dòng điện hay dòng lang thang. - Ăn mòn dưới tác dụng của áp lực: tác động cơ học như sự gãy nứt do quá tải của cầu sắt, cầu trục… - Ăn mòn sinh vật học: gây ra do các vi sinh vật hay những sản phẩm chuyển hoá của chúng.
Theo trạng thái bề mặt kim loại: Theo cách này, ăn mòn được phân ra làm 3 nhóm. Nhóm 1: sự ăn mòn đồng đều (uniform corrosion) - Ăn mòn nứt (crevice corrosion) - Ăn mòn điện hoá (galvanic corrosion) - Ăn mòn điểm (pitting corrosion) Nhóm 2: Ăn mòn bổ sung. - Sự ăn mòn do mài mòn hay sự ăn mòn phong hoá (erosion corrosion) - Sự ăn mòn tạo lỗ hổng (cavitation) - Sự ăn mòn làm mòn (gặm mòn dần-fretting corrosion) - Sự ăn mòn giữa các tinh thể (intergranuar corrosion) Nhóm 3: phân loại thông qua kính hiển vi điện tử hay quang học - Sự tróc mảng (exfoliation) - Sự ăn mòn chọn lọc (có chọn lọc-Dealloying selective leaching) - Sự ăn mòn bẻ gẫy (stress corrosion cracking) - Sự ăn mòn mỏi làm giảm sự chịu đựng của kim loại (corrosion fatigue) * Một số dạng ăn mòn (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 1.1: Một số dạng ăn mòn 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chú thích (a): Ăn mòn đều trên bề mặt (b): Ăn mòn không đều trên bề mặt (c): Ăn mòn hang hốc (d): Ăn mòn điểm (e): Ăn mòn giữa các tinh thể (f): Ăn mòn xuyên tinh 1. Tiêu chuẩn đánh giá độ ăn mòn [8, 11] Có 9 chỉ tiêu đánh giá mức độ ăn mòn của kim loại (đánh giá định lượng) 1.
Chỉ tiêu khuynh hướng ăn mòn (kr) Là thời gian tính bằng giờ hoặc ngày xuất hiện vết ăn mòn đầu tiên trên một diện tích nhất định của bề mặt kim loại. Chỉ tiêu vết ăn mòn (kn) Là lượng vết ăn mòn xuất hiện trên một đơn vị diện tích trong một thời gian xác định t. Chỉ tiêu chiều sâu ăn mòn (P) Là chiều sâu phá huỷ (trung bình hoặc cực đại) trên bề mặt mẫu kim loại trong một thời gian xác định: Q Q: là tốc độ ăn mòn đơn vị g/m2.giờ P ở đó d d: là khối lượng riêng của kim loại đơn vị g/cm3 Vì vậy thứ nguyên của P là mm/năm 1. Chỉ tiêu thay đổi khối lượng Là sự thay đổi khối lượng của mẫu kim loại bị ăn mòn trên diện tích bề mặt kim loại trong thời gian t.
Có hai chỉ tiêu thay đổi khối lượng: - Chỉ tiêu giảm khối lượng: k m m t g / m 2 .h m - Chỉ tiêu tăng khối lượng: k m t 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong đó: m: là trị số hao hụt khối lượng mẫu trên 1 đơn vị diện tích t: Thời gian làm thí nghiệm 1. Chỉ tiêu thể tích ăn mòn k tt V s.h Trong đó: V: Là thể tích hấp thụ hoặc thoát ra trong quá trình ăn mòn trên diện tích bề mặt mẫu t: Trong thời gian làm thí nghiệm s: Diện tích bề mặt 1. Chỉ tiêu dòng điện ăn mòn (iăm) Là mật độ dòng điện tương ứng với tốc độ của quá trình ăn mòn kim loại nhất định, đơn vị tính mA/cm2 (hoặc A/cm2). Chỉ tiêu thay đổi tính chất cơ học do ăn mòn Là sự thay đổi các chỉ tiêu cơ học của vật liệu do tác dụng ăn mòn của môi trường trong khoảng thời gian nhất định.
Chỉ tiêu thay đổi điện trở Là sự thay đổi điện trở của mẫu kim loại bị ăn mòn trong thời gian nhất định R KR .100% RO Trong đó: KR: Chỉ tiêu thay đổi điện trở ∆R: Trị số thay đổi điện trở RO: Trị số điện trở của mẫu không bị ăn mòn 1. Chỉ tiêu phản xạ do ăn mòn Là sự thay đổi khả năng phản xạ của bề mặt kim loại trong thời gian bị ăn mòn. Các phƣơng pháp chống ăn mòn kim loại [6, 10, 11, 13, 19, 21, 22] 1. Chọn và chế tạo vật liệu có độ bền vững chống ăn mòn cao Việc lựa chọn vật liệu có độ bền chống ăn mòn cho từng loại môi trường là vấn đề rất có ý nghĩa về mặt chống ăn mòn kim loại.
Một số kim loại của nhóm platin, vàng, đồng, niken, molipđen có độ bền nhiệt động cao trong môi trường axit 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com không có tính oxi hoá. Những kim loại dễ đi vào trạng thái thụ động: crôm, hợp kim chứa crôm, thép chống ăn mòn chứa titan, nhôm. Những kim loại có khả năng tạo lớp sản phẩm ăn mòn, lớp này có khả năng bảo vệ chống sự ăn mòn tiếp theo: đồng, kẽm, thiếc. Bên cạnh việc lựa chọn vật liệu, việc chế tạo vật liệu mới có độ bền chống ăn mòn cao lại càng có ý nghĩa thực tế.
Để có hợp kim có độ bền chống ăn mòn cao người ta thường sử dụng các phụ gia.