Nghiên cứu quá trình tự hình thành lớp màng bảo vệ trên bề mặt thép mềm trong môi trường acid hydrochloric 0 1m chứa cao chiết xuất từ nhựa đu đủ

Nghiên cứu quá trình hình thành lớp màng bảo vệ trên thép mềm trong môi trường acid hydrochloric 0.1m với cao chiết xuất từ nhựa đu đủ.

• Tác giả: Nguyễn Thị Nhung
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đăng Nam
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu quá trình tự hình thành lớp màng bảo vệ trên bề mặt thép mềm trong môi trường acid hydrochloric 0,1 M chứa cao chiết xuất từ nhựa đu đủ
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về thép mềm
• 1.2. Các đặc tính của thép mềm
• 1.3. Tổng quan về ăn mòn điện hóa
• 1.4. Những ảnh hưởng gây ra bởi ăn mòn
• 1.5. Chi phí liên quan đến khắc phục ăn mòn
• 1.6. Tai nạn do ăn mòn
• 1.7. Thiệt hại về môi trường
• 1.8. Các phương pháp giảm thiểu ăn mòn
• 1.9. Tổng quan về chất ức chế ăn mòn
• 1.10. Tổng quan về nhựa đu đủ
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Vật liệu, dụng cụ và thiết bị
• 2.2. Chuẩn bị mẫu
• 2.3. Chất ức chế
• 2.4. Dung dịch điện ly
• 2.5. Thiết bị và các thông số được thiết lập
• 2.6. Phương pháp phân tích
• 2.6.1. Phương pháp phân tích thành phần của cao
• 2.6.2. Sắc ký khí - khối phổ (GCMS)
• 2.6.3. Phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier kết hợp phép suy giảm phản xạ toàn phần (ATR-FTIR)
• 2.6.4. Phương pháp phân tích điện hóa
• 2.6.4.1. Phân tích thế mạch hở (OCP)
• 2.6.4.2. Phân cực thế động (PD)
• 2.6.4.3. Điện trở phân cực tuyến tính (LPR)
• 2.6.4.4. Phân tích tổng trở điện hóa (EIS)
• 2.6.4.5. Phân cực thế tĩnh (PS)
• 2.6.5. Phương pháp phân tích bề mặt
• 2.6.5.1. Phân tích hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM)
• 2.6.5.2. Phân tích phổ Raman
• 2.6.5.3. Quang phổ điện tử tia X (XPS)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả phân tích cao
• 3.1.1. Sắc kỹ khí – khối phổ (GC-MS)
• 3.1.2. Phổ hồng ngoại theo phương pháp suy giảm toàn phần (ATR-FTIR)
• 3.2. Kết quả phân tích điện hóa
• 3.3. Kết quả phân tích bề mặt sau khi ăn mòn
• 3.4. Cơ chế ăn mòn và ức chế ăn mòn
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về lớp màng bảo vệ trên thép mềm

Lớp màng bảo vệ trên thép mềm đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn sự ăn mòn trong môi trường acid hydrochloric. Thép mềm là vật liệu phổ biến trong nhiều ứng dụng công nghiệp, nhưng lại dễ bị ăn mòn khi tiếp xúc với các dung dịch acid. Việc nghiên cứu lớp màng bảo vệ giúp cải thiện tuổi thọ và hiệu suất của thép trong các điều kiện khắc nghiệt.

1.1. Đặc điểm của thép mềm và ứng dụng

Thép mềm có độ dẻo cao, dễ gia công và hàn. Nó được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, sản xuất máy móc và các ứng dụng công nghiệp khác. Tuy nhiên, thép mềm dễ bị ăn mòn trong môi trường acid, điều này làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của sản phẩm.

1.2. Tính chất hóa học của thép trong môi trường acid

Trong môi trường acid hydrochloric, thép mềm dễ bị oxy hóa, dẫn đến sự hình thành ion sắt và các sản phẩm ăn mòn khác. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến tính chất cơ học mà còn gây ra thiệt hại kinh tế lớn cho các ngành công nghiệp.

II. Vấn đề ăn mòn và thách thức trong bảo vệ thép

Ăn mòn là một trong những vấn đề lớn nhất đối với thép mềm trong môi trường acid. Các phương pháp bảo vệ truyền thống thường không hiệu quả hoặc gây hại cho môi trường. Do đó, cần tìm kiếm các giải pháp mới, hiệu quả và thân thiện với môi trường.

2.1. Nguyên nhân gây ra ăn mòn trong môi trường acid

Ăn mòn xảy ra do sự tương tác giữa ion H+ trong dung dịch acid và bề mặt thép, dẫn đến sự phá hủy lớp oxit bảo vệ tự nhiên. Các yếu tố như nhiệt độ, nồng độ acid và thời gian tiếp xúc cũng ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn.

2.2. Hệ quả của ăn mòn đối với ngành công nghiệp

Ăn mòn không chỉ làm giảm tuổi thọ của thiết bị mà còn gây ra sự cố nghiêm trọng trong quá trình sản xuất. Chi phí khắc phục và bảo trì do ăn mòn có thể lên đến hàng triệu đô la mỗi năm cho các ngành công nghiệp lớn.

III. Phương pháp nghiên cứu lớp màng bảo vệ hiệu quả

Nghiên cứu lớp màng bảo vệ trên thép mềm trong môi trường acid hydrochloric cần áp dụng các phương pháp hiện đại để đánh giá hiệu quả của các chất ức chế ăn mòn. Các phương pháp này bao gồm phân tích điện hóa và phân tích bề mặt.

3.1. Phân tích điện hóa trong nghiên cứu ăn mòn

Phân tích điện hóa giúp xác định các thông số như điện trở phân cực và thế ăn mòn của thép trong dung dịch acid. Các phương pháp như EIS và LPR được sử dụng để đánh giá hiệu suất của lớp màng bảo vệ.

3.2. Phân tích bề mặt bằng kỹ thuật FE SEM

Kỹ thuật FE-SEM cho phép quan sát hình thái bề mặt của thép trước và sau khi áp dụng lớp màng bảo vệ. Điều này giúp đánh giá sự hình thành lớp màng và hiệu quả bảo vệ của chất ức chế ăn mòn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của lớp màng bảo vệ

Lớp màng bảo vệ từ cao chiết xuất nhựa đu đủ đã cho thấy hiệu quả cao trong việc giảm thiểu ăn mòn thép mềm trong môi trường acid hydrochloric. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc sử dụng các chất ức chế tự nhiên trong công nghiệp.

4.1. Hiệu suất bảo vệ của cao chiết xuất nhựa đu đủ

Cao chiết xuất từ nhựa đu đủ đã chứng minh khả năng bảo vệ thép mềm hiệu quả ngay cả ở nồng độ thấp trong môi trường acid. Nghiên cứu cho thấy lớp màng bảo vệ hình thành giúp ngăn chặn sự tiếp xúc của ion H+ với bề mặt thép.

4.2. Tính khả thi trong ứng dụng công nghiệp

Việc áp dụng lớp màng bảo vệ từ cao chiết xuất nhựa đu đủ không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn thân thiện với môi trường. Điều này làm tăng tính cạnh tranh cho các sản phẩm thép mềm trong ngành công nghiệp.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu lớp màng bảo vệ trên thép mềm trong môi trường acid hydrochloric đã mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển các chất ức chế ăn mòn tự nhiên. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp bền vững cho ngành công nghiệp.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy lớp màng bảo vệ từ cao chiết xuất nhựa đu đủ có khả năng ức chế ăn mòn hiệu quả. Các phương pháp phân tích đã được áp dụng để đánh giá chính xác hiệu suất của lớp màng này.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chiết xuất và ứng dụng các chất ức chế tự nhiên khác. Điều này sẽ giúp mở rộng khả năng bảo vệ thép mềm trong nhiều môi trường khác nhau.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Thép mềm là vật liệu kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp như đường ống dẫn chất lỏng, bể chứa hóa chất, khai thác dầu khí, xây dựng cơ sở hạ tầng và gia công cơ khí. Tuy nhiên, trong các quy trình tẩy rửa, tẩy cặn và làm sạch bề mặt công nghiệp, acid hydrochloric (HCl) được sử dụng phổ biến và được xác định là tác nhân chính gây ra ăn mòn điện hóa đối với thép. Các chất ức chế ăn mòn vô cơ truyền thống chứa phosphate, chromate và muối kim loại nặng đang dần bị hạn chế hoặc cấm sử dụng do tính độc hại với môi trường và sinh vật thủy sinh. Các chất ức chế hữu cơ tổng hợp cũng bộc lộ nhược điểm về chi phí tổng hợp cao và khả năng ức chế ăn mòn cục bộ còn hạn chế. Bối cảnh đó thúc đẩy hướng nghiên cứu mới tập trung vào các hợp chất ức chế có nguồn gốc thiên nhiên — thân thiện với môi trường, giá thành thấp, có khả năng phân hủy sinh học và hiệu quả bảo vệ ăn mòn cục bộ cao.

Nhựa đu đủ (Papaya resin extract, PRE) là thành phần giàu hợp chất hữu cơ chứa các nguyên tố dị thể như nitrogen, oxygen và các liên kết π, vốn là những đặc điểm cấu trúc thuận lợi để hình thành lớp hấp phụ bảo vệ trên bề mặt kim loại. Mặc dù các bộ phận khác của cây đu đủ như lá, vỏ quả và hạt đã được nghiên cứu làm chất ức chế ăn mòn cho một số kim loại, nhựa đu đủ chưa có bất kỳ nghiên cứu nào ghi nhận ứng dụng trong lĩnh vực chống ăn mòn. Đây chính là khoảng trống khoa học mà khóa luận hướng tới lấp đầy.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

1. Tổng quan về đặc tính, hiện tượng ăn mòn điện hóa và các phương pháp giảm thiểu ăn mòn đối với thép mềm trong dung dịch điện ly.
2. Tổng quan về chất ức chế ăn mòn, bao gồm phân loại, cơ chế và ứng dụng của chất ức chế có nguồn gốc thiên nhiên.
3. Phân tích thành phần hóa học và các nhóm chức của cao chiết xuất từ nhựa đu đủ (PRE) bằng phương pháp sắc ký khí - khối phổ (GCMS) và phổ hồng ngoại kết hợp phép đo phản xạ suy giảm toàn phần (ATR-FTIR).
4. Đánh giá đặc tính điện hóa và quá trình hình thành lớp màng bảo vệ của thép mềm AS1020 khi ngâm trong dung dịch HCl 0,1 M không chứa và chứa PRE ở các nồng độ khác nhau.
5. Phân tích hình thái và thành phần bề mặt thép trước và sau khi sử dụng chất ức chế bằng kỹ thuật FE-SEM, phổ Raman và phổ XPS.
6. Xây dựng cơ chế ăn mòn và cơ chế ức chế ăn mòn của thép mềm trong dung dịch nghiên cứu.

Đối tượng nghiên cứu: Thép mềm AS1020 và cao chiết xuất từ nhựa đu đủ (PRE) đóng vai trò chất ức chế ăn mòn.

Phạm vi nghiên cứu: Môi trường ăn mòn là dung dịch HCl 0,1 M (pH = 1) ở nhiệt độ phòng; thời gian ngâm mẫu lên đến 24 giờ; nồng độ PRE khảo sát từ 0 đến 2000 ppm. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm FM&D Lab., Viện Nghiên cứu Khoa học Cơ bản và Ứng dụng, Trường Đại học Duy Tân, Thành phố Hồ Chí Minh.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm nền tảng

Khóa luận dựa trên lý thuyết ăn mòn điện hóa, trong đó ăn mòn kim loại được mô tả như một quá trình oxy hóa - khử xảy ra tại bề mặt tiếp xúc giữa điện cực kim loại và chất điện phân. Hệ ăn mòn điện hóa đầy đủ bao gồm bốn thành phần: anode (A), cathode (C), dây dẫn điện tử (M) và dung dịch điện ly (E). Tác giả vận dụng lý thuyết hấp phụ chất ức chế hữu cơ, phân biệt ba cơ chế chính: hấp phụ vật lý (do tương tác tĩnh điện), hấp phụ hóa học (cho/nhận điện tích giữa phân tử chất ức chế và bề mặt kim loại) và hình thành màng (lớp rào cản ngăn cách kim loại với dung dịch ăn mòn). Chất ức chế hữu cơ hoạt động hiệu quả nhờ sự có mặt của các nguyên tố dị thể (O, N, P, S), mật độ điện tử cao tại nguyên tử cho và các nhóm chức phân cực.

Cơ sở phân loại chất ức chế vô cơ và hữu cơ theo tiêu chuẩn ISO 8044:2015 được tác giả áp dụng làm khung phân loại. Chất ức chế vô cơ tác động theo cơ chế ức chế anode hoặc cathode, trong khi chất ức chế hữu cơ — chiếm khoảng 80% các chất ức chế hiện có — thường tác động đồng thời cả hai quá trình, được gọi là chất ức chế hỗn hợp. Các tiêu chuẩn thực nghiệm áp dụng trong nghiên cứu bao gồm ASTM G-5 (chuẩn bị mẫu và thực hiện đo phân cực thế động) và các tiêu chuẩn AISI/SAE, ASTM, EN, ISO, JIS trong phân loại thép mềm.

Phương pháp nghiên cứu

Khóa luận thuộc loại nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, kết hợp giữa phân tích thành phần chất ức chế và đánh giá điện hóa bề mặt. Cụ thể:

Phân tích thành phần chất ức chế:

• GCMS (Agilent 7890B/5977A, khí mang nitrogen, tốc độ dòng 1 ml/phút): xác định các hợp chất cấu thành PRE.
• ATR-FTIR (Alpha-II Bruker, FM&D Lab.): xác định các nhóm chức có trong hợp chất PRE thông qua phổ hấp thụ hồng ngoại đặc trưng.

Phân tích điện hóa (hệ ba điện cực, máy điện hóa VSP - Biologic Scientific Instruments, phần mềm EC Lab):

• OCP (thế mạch hở): theo dõi sự ổn định điện thế bề mặt điện cực trước các phép đo (1 giờ ngâm trước mỗi phép đo).
• PD - Phân cực thế động: quét từ -250 mV đến 0 mV${Ag/AgCl}$, tốc độ quét 0,166 mV/s, áp dụng ngoại suy Tafel để xác định mật độ dòng ăn mòn ($i{corr}$) và thế ăn mòn ($E_{corr}$).
• LPR - Điện trở phân cực tuyến tính: đo mỗi giờ liên tục trong 24 giờ, dải điện thế ±20 mV$_{OCP}$, tốc độ quét 0,166 mV/s.
• EIS - Tổng trở điện hóa: biên độ ±10 mV, tần số 10 kHz đến 10 mHz, đo mỗi giờ trong 24 giờ.
• PS - Phân cực thế tĩnh: điện thế anode cố định -450 mV$_{Ag/AgCl}$ sau 24 giờ ngâm.

Phân tích bề mặt:

• FE-SEM (Hitachi S-4800, Japan): quan sát hình thái bề mặt thép sau 24 giờ ngâm.
• Phổ Raman (Raman Xplora One, dải 70–3600 cm⁻¹): xác định sản phẩm ăn mòn và thành phần lớp màng.
• XPS - Quang phổ điện tử tia X: phân tích thành phần nguyên tố bề mặt thép sau 24 giờ ngâm trong dung dịch chứa 0 và 2000 ppm PRE.

Nguồn dữ liệu: Toàn bộ dữ liệu được tạo ra trực tiếp từ thực nghiệm trong phòng thí nghiệm FM&D Lab. Mẫu thép AS1020 được gia công bằng máy CNC tạo diện tích tiếp xúc 10 × 10 mm², mài bằng giấy nhám SiC các cấp độ nhám 100, 600, 1000 và 2000, siêu âm trong ethanol 5 phút trước mỗi thí nghiệm. PRE được chiết xuất từ cuống quả đu đủ xanh bằng hệ Soxhlet với ethanol ở 75°C, sau đó cô đặc bằng cô quay chân không và bảo quản ở 4°C.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện cho nghiên cứu, được triển khai theo bốn nội dung lớn. Phần đầu trình bày cấu trúc, thành phần và đặc tính cơ - lý của thép mềm AS1020: hàm lượng carbon tối đa 0,25%, cùng các nguyên tố hợp kim Mn, Si, P, S với hàm lượng kiểm soát chặt chẽ (Si ≤ 0,3–0,4%, Mn ≤ 0,5–0,8%, P ≤ 0,008%, S ≤ 0,04%). Các thông số cơ học được nêu cụ thể: nhiệt độ nóng chảy 1370–1480°C, mật độ 7,80–8,05 kg/m³, độ bền kéo 380–550 MPa, độ bền uốn 250–350 MPa, độ giãn dài 20–30%, độ cứng Brinell 120–180 HB.

Phần tiếp theo trình bày lý thuyết ăn mòn điện hóa, bao gồm định nghĩa, cơ chế phản ứng anode – cathode, điện thế chuẩn của sắt (-0,44 V$_{SHE}$) và quá trình hình thành rỉ sét qua chuỗi phản ứng Fe → Fe²⁺ → Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃ → Fe₂O₃·xH₂O. Bảng phân loại 12 dạng ăn mòn phổ biến (ăn mòn đồng đều, ăn mòn lỗ, ăn mòn galvanic, ăn mòn khe, ăn mòn biên hạt, ăn mòn xói mòn, ăn mòn hình chỉ, nứt do ứng suất môi trường, ăn mòn mỏi, giòn do hydrogen, ăn mòn vi sinh) được hệ thống hóa rõ ràng.

Chương cũng dẫn chiếu số liệu về thiệt hại kinh tế do ăn mòn: chi phí ăn mòn tại Mỹ ước tính 70 tỷ USD/năm (chiếm 4–5% GNP), được cập nhật lên 300 tỷ USD vào năm 1995; toàn cầu ước tính 1–5% GNP mỗi quốc gia. Các vụ tai nạn điển hình như sự cố Boeing 737 của Aloha, thảm họa Bhopal và vụ sập cầu tại Ý năm 2018 khiến 43 người thiệt mạng được dẫn minh họa tính nguy hiểm thực tiễn của ăn mòn.

Phần cuối Chương 1 tổng quan về chất ức chế ăn mòn từ hợp chất thiên nhiên, so sánh hiệu suất của một số chiết xuất thực vật đã công bố: chiết xuất cỏ gai (Datura stramonium) đạt 94,2% trong HCl 1 M; hạt hoa kim phượng (Poinciana pulcherrima) đạt 88–96% trong HCl 1–2 M; vỏ đu đủ (PPE) đạt 95,5–98,1% trong HCl 1 M ở nồng độ 2 g/L; lá đu đủ làm chất ức chế cho thép AISI 4140 đạt 89,17% trong HCl 15%. Tác giả xác định nhựa đu đủ là thành phần chưa được nghiên cứu trong lĩnh vực chống ăn mòn và lập luận đây là lựa chọn tiềm năng nhờ thành phần sinh học phong phú.

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Chương này mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm, vật liệu và thiết bị phân tích. Về chuẩn bị mẫu, điện cực làm việc là thép AS1020 dạng thanh gia công CNC, đúc nguội bằng polyvinyl chloride với nhựa epoxy EpoFix, diện tích tiếp xúc 10 × 10 mm² (theo ASTM G-5). Về chiết xuất PRE, cuống quả đu đủ xanh được chọn làm nguồn nguyên liệu do chứa hàm lượng nhựa cao nhất; quá trình chiết xuất dùng hệ Soxhlet với ethanol ở 75°C, cô đặc bằng cô quay chân không, bảo quản ở 4°C.

Hệ điện hóa ba điện cực được mô tả đầy đủ: điện cực làm việc (WE) là thép AS1020; điện cực đối (CE) là lưới titanium; điện cực so sánh (RE) là Ag/AgCl/KCl bão hòa. Máy điện hóa VSP (Biologic Scientific Instruments) kết nối EC Lab xử lý dữ liệu. Chương cũng trình bày nguyên lý hoạt động của từng phương pháp phân tích: GCMS, ATR-FTIR, OCP, PD, LPR, EIS, PS, FE-SEM, Raman và XPS — bao gồm cơ sở vật lý, cấu hình thiết bị và thông số đo đạc cụ thể.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương kết quả được tổ chức theo bốn nhóm phân tích lớn. Nhóm thứ nhất trình bày kết quả GCMS xác định các hợp chất trong PRE và kết quả ATR-FTIR nhận diện các nhóm chức đặc trưng liên quan đến khả năng hấp phụ trên bề mặt thép. Nhóm thứ hai trình bày kết quả điện hóa theo thời gian ngâm 24 giờ: đường cong OCP theo thời gian, đường cong phân cực thế động (PD) ở các nồng độ PRE 0, 500, 1000, 1500 và 2000 ppm, số liệu LPR và EIS (biểu đồ Nyquist và Bode) ở từng nồng độ. Mạch điện tương đương Randles được áp dụng để phân tích kết quả EIS, trong đó hằng số pha CPE được sử dụng thay cho tụ điện lý tưởng. Các thông số EIS trình bày bao gồm: điện trở dung dịch ($R_s$), điện trở lớp bảo vệ, điện trở trao đổi điện tích ($R_{ct}$) và CPE cho lớp bảo vệ và lớp điện tích kép — theo dõi sự biến thiên theo nồng độ PRE và thời gian ngâm. Nhóm thứ ba là phân tích bề mặt: ảnh FE-SEM hình thái bề mặt thép ở các nồng độ PRE khác nhau, phổ Raman xác định sản phẩm ăn mòn và thành phần lớp màng, phổ XPS phân giải cao của Fe 2p, C 1s, N 1s và O 1s nhằm xác nhận sự hấp phụ của PRE và thành phần lớp màng bảo vệ. Nhóm thứ tư là xây dựng cơ chế ăn mòn và cơ chế ức chế ăn mòn, có đối chiếu với hiệu suất ức chế của chất ức chế từ nhựa các loài cây khác được tổng hợp trong bảng so sánh cuối chương.

---

Thiết kế và triển khai thực nghiệm

Do đây là đồ án nghiên cứu vật liệu thực nghiệm, mục này mô tả thiết kế hệ đo và quy trình triển khai thay cho kiến trúc phần mềm.

Thiết kế hệ đo điện hóa: Hệ ba điện cực được thiết lập chuẩn hóa theo ASTM G-5, với điện cực làm việc diện tích 10 × 10 mm², CE titanium dạng lưới đảm bảo cân bằng dòng, RE Ag/AgCl/KCl bão hòa làm chuẩn. Trình tự đo được xây dựng logic: ngâm OCP 1 giờ → EIS và LPR lặp lại mỗi giờ trong 24 giờ → PD tổng kết → PS ở điện thế anode cố định.

Dải nồng độ khảo sát: PRE được hòa tan trong HCl 0,1 M ở 7 mức nồng độ: 10, 50, 200, 500, 1000, 1500 và 2000 ppm; dung dịch khuấy từ 12 giờ trước sử dụng để đảm bảo đồng nhất.

Kiểm chứng kết quả: Mỗi phép đo điện hóa được thực hiện song song với kiểm tra bề mặt (FE-SEM) và kiểm tra thành phần (Raman, XPS) để đảm bảo tính nhất quán giữa dữ liệu điện hóa và bằng chứng bề mặt. Thông số phân cực PD thu được xử lý bằng ngoại suy Tafel để tính toán $i_{corr}$, $E_{corr}$ và hiệu suất ức chế ăn mòn theo nồng độ PRE.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

Kết quả nổi bật nhất của nghiên cứu là PRE ở nồng độ 2000 ppm đạt hiệu suất bảo vệ 98,08% đối với thép mềm AS1020 trong dung dịch HCl 0,1 M (pH = 1) ở nhiệt độ phòng sau 24 giờ ngâm. Đây là mức hiệu suất được xác nhận qua nhiều phương pháp phân tích độc lập.

Kết quả phân cực thế động (PD) xác định PRE là chất ức chế hỗn hợp, trong đó ức chế quá trình anode chiếm ưu thế so với ức chế cathode. Kết quả phân tích LPR và EIS cho thấy sự gia tăng đồng thời của điện trở trao đổi điện tích ($R_{ct}$) và điện trở phân cực ($R_p$) theo nồng độ PRE và thời gian ngâm, phản ánh quá trình hình thành và dày lên liên tục của lớp màng bảo vệ trong 24 giờ. Kết quả FE-SEM chứng minh bề mặt thép ngâm trong dung dịch chứa PRE 2000 ppm bị ăn mòn ít hơn rõ rệt so với mẫu không có chất ức chế.

Phổ Raman và XPS (phổ tổng và phổ phân giải cao của Fe 2p, C 1s, N 1s, O 1s) xác nhận các phân tử PRE hấp phụ lên bề mặt thép và kết hợp với các sản phẩm sắt để hình thành lớp màng bảo vệ có độ chắc và độ bám dính tốt. Kết quả phân tích PS (điện thế anode cố định -450 mV$_{Ag/AgCl}$) ghi nhận sự thay đổi mật độ dòng theo nồng độ PRE sau 24 giờ, bổ sung thêm bằng chứng về hiệu quả ức chế ở chế độ anode.

Bảng dưới đây tổng hợp so sánh hiệu suất ức chế của PRE so với một số chiết xuất nhựa cây khác được trình bày trong văn bản:

Chất ức chế	Kim loại	Môi trường	Hiệu suất (%)
PRE (nhựa đu đủ)	Thép mềm AS1020	HCl 0,1 M	98,08
PPE (vỏ đu đủ)	Hợp kim nhôm AA	HCl 1 M	95,5–98,1
Lá đu đủ	Cu	H₂SO₄	~93
Lá đu đủ	Thép AISI 4140	HCl 15%	89,17
Cỏ gai (D. stramonium)	Thép mềm	HCl 1 M	94,2
Hoa kim phượng (P. pulcherrima)	Thép	HCl 1–2 M	88–96

Giải pháp và kiến nghị

Tác giả đề xuất PRE là phương án ức chế ăn mòn xanh tiềm năng, phù hợp với xu hướng thay thế các chất ức chế vô cơ độc hại. Quy trình chiết xuất bằng hệ Soxhlet với ethanol và cô quay chân không được đánh giá là đơn giản, không độc hại và có khả năng mở rộng quy mô. Nghiên cứu mở ra định hướng ứng dụng PRE trong bảo vệ các đường ống và bể chứa thép trong các ngành công nghiệp tiếp xúc nhiều với dung dịch HCl.

Đóng góp so với nghiên cứu trước

Đóng góp chính mà tác giả tự xác định là đây là nghiên cứu đầu tiên sử dụng nhựa đu đủ (papaya resin) — phân biệt với các bộ phận khác của cây đã được nghiên cứu trước đó — làm nguồn nguyên liệu tổng hợp chất ức chế ăn mòn cho vật liệu kim loại. Kết quả nghiên cứu đã được báo cáo tại Hội nghị quốc tế "75 Years of Energy and Performance in Education and Research 2023, Renewable Versus Fossil Fuels. Global Energy Perspectives", tổ chức ngày 08–10 tháng 11 năm 2023 tại Ploiesti, Romania, và một bản thảo bài báo hoàn chỉnh bằng tiếng Anh đã được chuẩn bị.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Tác giả và giảng viên hướng dẫn chỉ ra rõ ràng hạn chế chính của đề tài: toàn bộ thực nghiệm được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm với dung dịch HCl 0,1 M mô phỏng, chưa kiểm tra khả năng ức chế của PRE trong điều kiện vận hành công nghiệp thực tế (nhiệt độ cao, áp suất, dòng chảy, môi trường nhiều pha). Đây được xác định là bước tiếp theo cần thiết để đánh giá tính ứng dụng công nghiệp của chất ức chế này.

Phạm vi nghiên cứu chỉ giới hạn ở thép AS1020 trong HCl 0,1 M ở nhiệt độ phòng, do đó hiệu quả của PRE trên các loại thép khác, trong môi trường acid khác (H₂SO₄, HNO₃) hoặc ở các mức nhiệt độ khác nhau chưa được đánh giá. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất ức chế và mô hình đẳng nhiệt hấp phụ (Langmuir, Temkin, Frumkin) cũng là hướng mở cho các công trình tiếp theo.

---

Giá trị tham khảo

Khóa luận phù hợp làm tài liệu tham khảo cho các đối tượng sau:

• Sinh viên ngành Công nghệ Vật liệu, Kỹ thuật Hóa học, Hóa lý và Vật liệu ứng dụng đang tìm hiểu về ăn mòn điện hóa, chất ức chế ăn mòn hoặc muốn nắm quy trình thực nghiệm điện hóa cơ bản.
• Sinh viên và nghiên cứu sinh thực hiện đề tài về chất ức chế ăn mòn xanh có thể tham khảo phần tổng quan chương 1 (đặc biệt là bảng phân loại ăn mòn và bảng so sánh phương pháp bảo vệ ăn mòn) và phần mô tả quy trình chiết xuất, chuẩn bị chất ức chế từ nguồn thiên nhiên ở Chương 2.
• Người làm đề tài về phân tích điện hóa có thể tham khảo chi tiết thiết lập hệ ba điện cực, thông số đo OCP, PD, LPR, EIS và PS, cách sử dụng mạch điện tương đương Randles để phân tích dữ liệu EIS.
• Người quan tâm đến phân tích bề mặt vật liệu có thể tham khảo quy trình và cách diễn giải kết quả FE-SEM, phổ Raman và XPS trong bối cảnh nghiên cứu lớp màng bảo vệ kim loại.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả chọn cuống quả đu đủ xanh làm nguồn thu hoạch nhựa thay vì các bộ phận khác của cây?

Theo tác giả, cuống quả xanh là bộ phận chứa hàm lượng nhựa cao nhất trong cây đu đủ. Đây là lý do kỹ thuật chính dẫn đến lựa chọn này trong nghiên cứu. Nhựa sau khi thu hoạch được chiết xuất bằng hệ Soxhlet với ethanol ở 75°C và cô đặc bằng cô quay chân không.

2. Ở nồng độ nào PRE cho hiệu suất ức chế cao nhất và con số cụ thể là bao nhiêu?

PRE ở nồng độ 2000 ppm đạt hiệu suất bảo vệ cao nhất là 98,08% đối với thép mềm AS1020 trong dung dịch HCl 0,1 M (pH = 1) ở nhiệt độ phòng sau 24 giờ ngâm. Kết quả này được xác nhận thông qua phép ngoại suy Tafel từ dữ liệu phân cực thế động (PD) và bổ trợ bởi kết quả LPR và EIS.

3. PRE hoạt động theo cơ chế ức chế anode, cathode hay hỗn hợp? Quá trình nào chiếm ưu thế?

Kết quả phân cực thế động (PD) xác định PRE là chất ức chế hỗn hợp, tức là ức chế đồng thời cả quá trình anode và cathode. Tuy nhiên, ức chế quá trình anode của phản ứng ăn mòn điện hóa chiếm ưu thế.

4. Phương pháp phân tích nào được dùng để xác nhận lớp màng bảo vệ thực sự hình thành trên bề mặt thép?

Lớp màng bảo vệ được xác nhận qua nhiều phương pháp bổ trợ nhau: (i) EIS và LPR ghi nhận sự tăng liên tục của $R_{ct}$ và $R_p$ theo thời gian ngâm và nồng độ PRE; (ii) FE-SEM cho thấy bề mặt thép ít bị ăn mòn hơn khi có PRE; (iii) Phổ Raman xác định thành phần sản phẩm ăn mòn và vật liệu lớp màng; (iv) XPS phân giải cao các phổ Fe 2p, C 1s, N 1s và O 1s xác nhận sự hấp phụ của các phân tử PRE và thành phần cụ thể của lớp màng bảo vệ.

5. Điểm mới của nghiên cứu này so với các công trình trước về chất ức chế từ cây đu đủ là gì?

Các nghiên cứu trước đã khảo sát lá, vỏ quả và hạt đu đủ làm chất ức chế ăn mòn cho nhiều loại kim loại khác nhau. Tuy nhiên, theo tác giả, nhựa đu đủ (papaya resin) chưa được bất kỳ nghiên cứu nào trước đó sử dụng làm nguồn nguyên liệu tổng hợp chất ức chế ăn mòn cho vật liệu kim loại. Đây là điểm mới trực tiếp mà tác giả xác định, đồng thời nghiên cứu sử dụng môi trường HCl 0,1 M — nồng độ thấp hơn so với nhiều nghiên cứu trước (HCl 1 M, 15%) nhưng PRE vẫn cho hiệu suất bảo vệ đến 98,08%.

---

Kết luận

Khóa luận của Nguyễn Thị Nhung nghiên cứu thành công quá trình tự hình thành lớp màng bảo vệ trên thép mềm AS1020 trong dung dịch HCl 0,1 M khi sử dụng cao chiết xuất từ nhựa đu đủ (PRE) làm chất ức chế ăn mòn, với hiệu suất bảo vệ đạt 98,08% ở nồng độ 2000 ppm. Nghiên cứu lần đầu tiên khai thác nhựa đu đủ như một nguồn nguyên liệu ức chế ăn mòn, lấp đầy khoảng trống khoa học trong khi phần lớn các bộ phận khác của cây đã được khảo sát. Kết quả được kiểm chứng qua hệ thống phân tích điện hóa đa phương pháp (OCP, PD, LPR, EIS, PS) kết hợp với phân tích bề mặt tiên tiến (FE-SEM, Raman, XPS), tạo cơ sở dữ liệu toàn diện để giải thích cơ chế hấp phụ và hình thành lớp màng. Đề tài mở ra hướng ứng dụng chất ức chế ăn mòn xanh từ nguồn tự nhiên có sẵn, quy trình tổng hợp đơn giản và không độc hại, phù hợp với xu hướng bảo vệ kim loại bền vững trong các ngành công nghiệp tiếp xúc nhiều với acid.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về thép mềm 1. Giới thiệu Thép mềm là một hợp kim gồm hai thành phần chính là sắt và một lượng nhỏ carbon với hàm lượng tối đa là 0,25% kết hợp với một số thành phần khác (Mn, P, S, Si, v.), trong đó các thành phần này là các nguyên tố hợp kim với hàm lượng rất nhỏ [1]. Các thành phần này được thêm vào sẽ không ảnh hưởng đáng kể lên các tính chất của thép nếu lượng thêm không vượt quá 0,3-0,4% Si, 0,5-0,8% Mn, 0,008% P và 0,04% S.

Đối với thành phần carbon, nó là nguyên tố phi kim cơ bản trong cấu trúc thép do nó có giá thành thấp, có ảnh hưởng tới độ cứng cũng như độ bền của thép. Tiếp đến là Mn, được xem là thành phần quan trọng trong toàn bộ loại thép carbon, đặc biệt là thép mềm. Mn có vai trò như một thành phần giúp đảm bảo tất cả các tạp chất sulphur (S) dư thừa tạo thành các manganese sulfide (MnS). Nếu không có Mn, S có thể kết hợp với thép và tạo thành sắt sulfide (FeS), một thành phần có thể làm giảm độ cứng, độ bền cho thép và có thể dẫn tới hiện tượng giòn.

Một vai trò khác của Mn là tăng cường độ cứng cho thép. Thứ hai, silicon (Si) là một chất khử rất tốt vì nó có thể loại bỏ khí và oxide, tránh việc hình thành các lỗ khí và đồng thời tăng độ cứng cho thép. Mỗi 0,1% Si được thêm vào trong cấu trúc của thép sẽ làm tăng độ cứng lên 8 Mpa. Si cũng là chất ổn định của thành phần ferit, được tìm thấy trong một số loại thép không gỉ và giúp tăng cường tính chất điện cho hợp kim này.

Thứ ba là thành phần phosphorus (P), đây là một tạp chất, nếu dư sẽ gây ảnh hưởng xấu cho thép vì có thể gây ra tính gãy giòn [2]. Mặc dù có một số nhược điểm, nhưng sự kết hợp từ các thành phần này mang lại tính dẻo cao trong khi vẫn duy trì được độ bền và độ cứng của thép. Chi phí hợp lý cũng là một ưu điểm khiến thép trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều dự án đòi hỏi tính toàn vẹn về cấu trúc mà đòi hỏi ít chi phí đầu tư. Thép mềm có thể phân làm các cấp độ khác nhau dựa vào các tiêu chuẩn và đặc thù được sử dụng ở các khu vực khác nhau.

Một số tiêu chuẩn của thép được sử dụng hiện nay như tiêu chuẩn AISI/SAE, tiêu chuẩn ASTM, tiêu chuẩn EN, tiêu chuẩn ISO và tiêu chuẩn JIS. Các đặc tính của thép mềm Thép mềm sở hữu một số đặc tính khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng trong các ứng dụng công nghiệp và đời sống thực tiễn. Một số tính chất chính của thép mềm có thể kể đến như: ✓ Độ bền: mặc dù không cứng bằng thép carbon có hàm lượng carbon cao hoặc thép hợp kim nhưng thép mềm vẫn có độ bền tương đối tốt trong nhiều ứng dụng. Nó cung cấp đủ tính toàn vẹn cấu trúc và khả năng chịu tải tốt; ✓ Độ dẻo: thép mềm có độ dẻo cao, nó có thể dễ dàng kéo dài hoặc uốn cong mà không bị gãy, thậm chí khi không cần đến xử lý nhiệt.

Đặc tính này cho phép thép mềm dễ dàng tạo hình, tạo khối và chế tạo như cán, uốn và hàn; ✓ Tính hàn: các mối hàn ở thép mềm tương đối tốt và loại thép này có thể hàn bằng nhiều phương pháp khác nhau. Đặc tính này giúp cho nó có thể tạo mối hàn chắc chắn và bền; ✓ Khả năng gia công: thép mềm tương đối dễ gia công, dễ cắt, khoan và phù hợp với các quy trình sản xuất khác nhau do hàm lượng carbon thấp; ✓ Khả năng chống ăn mòn: mặc dù thép mềm không có khả năng chống ăn mòn cao bằng thép không gỉ hoặc các hợp kim chống ăn mòn khác, nhưng nó có thể chịu được ăn mòn nhẹ trong môi trường khí quyển. Nếu xử lý bề mặt hoặc sơn một lớp phủ, khả năng giảm ăn mòn của thép có thể được cải thiện. Hiện nay, có một số loại thép mềm trên thị trường được cải tiến nhằm giảm thiểu khả năng giảm ăn mòn cho thép, ví dụ như loại 316 với Mo được thêm vào, 304L và 316L [3].

Đối với tính chất cơ học, tính chất này có thể thay đổi phụ thuộc vào thành phần chất sử dụng trong quá trình sản xuất và xử lý nhiệt. Thép mềm có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng 1370-1480 ℃, mật độ thép mềm thay đổi từ 7,80-8,05 kg/m3. Thép mềm có độ bền kéo, khả năng chống chịu trước khi đứt dưới lực căng, thường có giá trị khoảng từ 380-550 MPa. Độ bền uốn, tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng vĩnh viễn, trong khoảng 250-350 Mpa và độ giãn dài từ khoảng 20-30%.

Thép mềm thường có độ cứng thấp đến trung bình, thường dao động từ độ cứng Brinell 120-180 HB. Thép mềm có khả năng chống va đập tốt nên có thể chịu đựng được những cú sốc hoặc tải trọng đột ngột mà 4 không bị gãy. Đặc tính này khiến cho thép trở thành vật liệu kỹ thuật quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống va đập. Một số ứng dụng điển hình của thép mềm: (a) đồ gia dụng, (b) đường ống, (c) khung xe, (d) cầu, (e) bể chứa, (f) khung cốt thép.

Ứng dụng Thép mềm được coi là nguyên liệu thô không thể thiếu trong các cơ sở hạ tầng gồm cơ sở cảng và cầu, các công trình xây dựng, đường xá do các tính chất cơ lý phù hợp, sản xuất số lượng lớn với giá thành hợp lý. Thép không chỉ được ứng dụng trong các cơ sở hạ tầng mà nó còn được sử dụng trong hàng loạt các lĩnh vực khác nhau như trong sản xuất xăng dầu, dầu mỏ - khí đốt, tự động, ô tô, v. Ngoài ra, ứng dụng của thép mềm có thể được tìm thấy ở một số sản loại sản phẩm khác nhau như: ✓ Khung nhà: dầm làm từ thép mềm được sử dụng trong các công trình như làm khung nhà vì nó có độ bền cao; ✓ Thiết bị sản xuất: vì giá thành rẻ, chắc chắn và bền nên ứng dụng phổ biến của thép mềm là chế tạo các thiết bị như trục lăn, bàn hàn, đồ đạc và đồ gá lắp; ✓ Các bộ phận máy móc: thép mềm được ứng dụng làm các bộ phận máy như bánh răng, vòng bi và lò xo mà không yêu cầu khả năng chống chịu ăn mòn như thép không gỉ; ✓ Các đường ống dẫn: ống dẫn làm từ thép mềm có khả năng hàn cao và đủ chắc chắn để chứa chất lỏng với áp suất cao; 5 ✓ Dụng cụ nấu ăn: thép mềm được dùng cho chế tạo dao và giữ được độ sắc trong thời gian dài sử dụng, các dụng cụ nấu nướng có đặc tính chống dính có giới hạn nhiệt độ cao hơn so với lớp chống dính. Tuy nhiên, một số ngành công nghiệp này lại sử dụng lượng lớn các dung dịch acid cho quá trình tẩy rửa, tẩy cặn và làm sạch, hay các bể chứa acid trong quá trình thu hồi dầu và quá trình hóa dầu.

Trong đó, các dung dịch nước chứa acid là môi trường ăn mòn rất cao đối với các kim loại hoạt động, đặc biệt là thép mềm. Với khả năng chống ăn mòn thấp cùng với cường độ tiếp xúc lâu dài trong môi trường acid cao như vậy khiến cho thép mềm rất dễ bị phá hủy, hòa tan và tạo thành các sản phẩm ăn mòn [4, 5]. Trong suốt nhiều thập kỷ qua, hàng loạt các công trình nghiên cứu được thực hiện để phát triển các phương pháp mới với khả năng giảm tính ăn mòn của thép, nhằm tăng tính an toàn cho thép mềm trong các ứng dụng đời sống hằng ngày, cũng như trong các ứng dụng công nghiệp. Tổng quan về ăn mòn điện hóa 1.

Định nghĩa Ăn mòn điện hóa là các phản ứng hóa học liên quan đến sự di chuyển của các điện tích (electron, e–) tại bề mặt tiếp xúc giữa chất dẫn điện (điện cực) và chất dẫn ion (chất điện phân/môi trường ăn mòn). Theo cơ chế ăn mòn điện hóa, bốn thành phần yêu cầu cùng xuất hiện cho một quá trình ăn mòn điện hóa diễn ra, bao gồm: anode (A), cathode (C), dây dẫn (M) nối anode – cathode và dung dịch điện ly (E). Ba trong số các yếu tố này (A, C và M) luôn có sẵn trong một kim loại hoặc hợp kim [6]. Dung dịch điện ly là các dung dịch lỏng dẫn ion (chủ yếu là nước) hoặc dạng rắn như đất, cát và bê tông dạng ẩm.

Các ion trong chất điện phân được chia làm hai loại gồm anion và cation. Các anion mang điện tích âm và chúng di chuyển về phía anode và các cation tích điện dương di chuyển về phía cathode. Một trong những quá trình khử diễn ra phổ biến tại cathode là khử các ion hydrogen hoặc oxygen, 2H+ + 2e– → H2 hoặc O2 + 2H2O + 4e– → 4 OH–. Để quá trình điện hóa diễn ra, tất cả bốn thành phần đã nêu phải diễn ra đồng thời.

Với sự có mặt của cả bốn yếu tố, cân bằng hóa học được diễn ra sao cho tốc độ phản ứng tại anode (oxy hóa) bằng tốc độ phản ứng tại cathode (khử) [7]. Sơ đồ mô tả phản ứng điện hóa diễn ra trên bề mặt của thép khi tiếp xúc với dung dịch điện phân. Phản ứng điện hóa diễn ra trên bề mặt của vật liệu kim loại có thể dẫn đến việc suy giảm các chức năng hay phá hủy các cấu trúc của vật liệu, điều này được thể hiện bằng phương trình, M → Mn+ + ne− (diễn ra tại anode). Phản ứng oxy hóa làm kim loại (M) giảm số điện tích (ne–).

Kết quả, M trở thành các ion kim loại (Mn+), được biết đến như là một cation mang điện tích dương. Các ion kim loại sinh ra từ anode sẽ di chuyển về phía cathode bằng chất điện phân dẫn ion (E), trong khi các điện tử chuyển từ anode sang cathode bởi dây dẫn (M). Tại cathode, ion kim loại bị khử thành kim loại (M). Do đó, ion kim loại bị khử tại cực cathode, Mn+ + ne− → M.

Động lực học của phản ứng ăn mòn là do sự khác nhau giữa thế khử của kim loại và môi trường ăn mòn. Khi tiếp xúc với chất điện phân, kim loại điện thế âm hơn có xu hướng nhường điện tử (anode). Quá trình ăn mòn kim loại có thể diễn ra nhanh hơn trong các môi trường có độ dẫn điện cao như nước biển, môi trường chứa acid và tại các vết nứt. Trong những trường hợp như vậy, quá trình chuyển điện tử sẽ diễn ra dễ dàng hơn và làm tăng tốc độ ăn mòn.