Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu khả năng chống ăn mòn của hệ phụ gia phức hợp (AC-2HM) gồm các phụ gia truyền thống kết hợp các axit hữu cơ lên hệ đa kim loại gồm thép, đồng, nhôm trong môi trường nước ăn mòn.
Hóa học & Mơi trường Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ hàm lượng hệ phụ gia ức chế ăn mòn đa kim loại lên hiệu chống ăn mịn mơi trường ethylene glycol Nguyễn Thị Hương*, Nguyễn Ngọc Sơn, Phạm Thị Thu Hạnh, Nguyễn Văn Đồng, Trịnh Đắc Hồnh Viện Hóa học-Vật liệu/Viện Khoa học Công nghệ quân *Email liên hệ: nguyenhuong0916@gmail.com Nhận ngày 14/9/2021; Hoàn thiện ngày 12/11/2021; Chấp nhận đăng ngày 12/12/2021 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.76.2021.98-103 TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu khả chống ăn mòn hệ phụ gia phức hợp (AC-2HM) gồm phụ gia truyền thống kết hợp axit hữu lên hệ đa kim loại gồm thép, đồng, nhôm môi trường nước ăn mòn Với hàm lượng phụ gia chiếm 5% cho hiệu chống ăn mòn tốt, kết nghiên cứu phương pháp điện hóa cho thấy hệ phụ gia có khả ức chế ăn mịn lên đến 97%-99% điều kiện thường Tại điều kiện nhiệt độ cao, hiệu ức chế ăn mòn đạt 89-94% Từ khóa: Nước làm mát; Ethylene glycol; Chất ức chế ăn mịn; Phương pháp điện hóa ĐẶT VẤN ĐỀ Nước làm mát sử dụng để tản nhiệt cho số phận máy móc động đốt trong, động điện hay thiết bị điện tử cơng suất lớn Trừ trường hợp có mơi trường làm việc đặc biệt, lại hệ nước làm mát thường sử dụng tác nhân dung dịch ethylen glycol (EG) nước [1-3] Điều kiện làm việc thường nhiệt độ cao có mặt nhiều kim loại khác dẫn đến phân hủy EG tạo thành axit hữu như: axit glycolic, axit formic, axit oxalic [1, 4], vấn đề dẫn đến ăn mòn trở nên nghiêm trọng Hiện nay, có nhiều nghiên cứu công bố với nội dung chủ yếu tập trung khảo sát, đánh giá hoạt tính chống ăn mịn phụ gia lên nhiều kim loại môi trường dung dịch ethylene glycol/nước A Haroooni cộng [5] nghiên cứu tính chất ăn mòn dung dịch nước-EG hợp kim 6063 nhơm phương pháp điện hóa Kết đo đường cong phân cực tốc độ ăn mòn giảm tăng hàm lượng EG Khi nghiên cứu sâu chế bề mặt kim loại phổ tổng trở điện hóa EIS, nhóm tác giả EG tạo thành lớp màng hấp phụ lên bề mặt kim loại, nhờ hạn chế cơng tác nhân ăn mòn lên hợp kim J Zaharieva cộng [6] nghiên cứu tính ăn mịn nhôm kim loại hợp kim D16AT chúng dung dịch EG (50% thể tích) với có mặt số axit hữu Phép thử ăn mòn xác lập điều kiện gia nhiệt lên 130 oC, áp suất 150 kPa thời gian ngâm 172 Tính ăn mịn hệ nghiên cứu đánh giá thay đổi hàm lượng kim loại dung dịch Kết nghiên cứu cho thấy với có mặt axit hữu dẫn đến hàm lượng kim loại hòa tan vào dung dịch lớn hơn, đặc biệt với axit glycolic Điều cho thấy tác nhân làm tăng q trình ăn mòn Trong nghiên cứu khác, M Asadikiya cộng [7] nghiên cứu ăn mòn hợp kim nhôm 3303 dung dịch nước-EG với có mặt phụ gia ức chế ăn mịn như: natri diphosphat, natri benzoat, natri tetraborat Kết cho thấy, phụ gia natridiphosphat cho hiệu bảo vệ tốt nhất, làm giảm đáng kể tốc độ ăn mòn Natribenzoat làm tăng q trình ăn mịn natri tetraborat khơng ảnh hưởng nhiều đến q trình ăn mòn/ức chế ăn mòn Đặc biệt, kết nghiên cứu không xử dụng phụ gia, sau xử lý nhiệt làm tăng tốc độ ăn mòn lớn Điều cho thấy tác dụng nhiệt độ số axit tạo thành trình phân huỷ nhiệt EG, tác nhân gây ăn mịn, có mặt kim loại đóng vai trị xúc tác 98 N T Hương, …, T Đ Hoành, “Nghiên cứu ảnh hưởng … môi trường ethylene glycol.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong nghiên cứu này, hiệu ức chế ăn mòn hệ phụ gia AC-2MH phức hợp nhiều thành phần, kết hợp chất ức chế ăn mịn vơ chất ức chế axit hữu nhằm bảo vệ đa kim loại PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hóa chất thiết bị - Các hoá chất sử dung: NaCl, NaHCO3, Na2SO4, Na2SiO3, Na2B4O7.10H2O tolyltriazole, axit 2-ethylhexanoic, ethylethylene glycol hãng Macklin (Trung Quốc) Merck (Đức); - Nước dùng cho pha chế sử dụng nước khử ion có độ dẫn khơng µS/cm; - Các mẫu kim loại nghiên cứu gồm thép G 10200 (ký hiệu G), hợp kim nhôm A 23190 (A), đồng đỏ C11000 (C1); - Thiết bị phân tích điện hóa đa Autolab PGSTAT 302N điều khiển phần mềm Nova 2.1.4 Viện Hóa học-Vật liệu; - Các thiết bị phụ trợ phòng thí nghiệm: bếp điện có khuấy từ, bể ổn nhiệt 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Chuẩn bị mẫu Hệ phụ gia: Hệ phụ gia pha vào dung dịch gồm 95% EG 5% nước khử ion theo tỷ lệ khác nhau: 0%, 3%, 5%, 7% theo khối lượng Hệ phụ gia AC-2MH có thành phần cho bảng ảng Thành phần hóa học hệ phụ gia AC-2MH TT Phụ gia Cơng thức hóa học Phần % khối lượng Natri benzoat NaC6H5CO2 60,0 - 65,0 Natri nitrit NaNO2 10,5 -12,5 Tolyltriazole C7H7N3 10,0 -12,0 Natri nitrat NaNO3 3,5 - 4,0 axit 2-ethylhexanoic C8H16O2 3,5 - 4,5 Natri metasilicat Na2SiO3 1,0 - 1,5 Natri borat Na2B4O7.10H2O 1,0 - 1,5 Phụ gia khác 1,0 - 1,5 Nước ăn mòn: Nước ăn mòn pha chế theo tiêu chuẩn ASTM D 1384, thành phần gồm: 148 mg Na2SO4, 165 mg NaCl, 138 mg NaHCO3 hòa tan 1.000 mL nước khử ion Mẫu kim loại nghiên cứu: Mẫu kim loại chế tạo thành điện cực tròn, đường kính 0,5 cm, hàn với dây dẫn đổ nhựa epoxy Bề mặt điện cực đánh bóng giấy nhám có kích thước mịn dần từ 1.200-2.000 Dung dịch đo ăn mòn: Dung dịch đo ăn mòn gồm hệ phụ gia nước ăn mòn theo tỷ lệ 1:2 theo khối lượng 2.2.2 Phương pháp điện hóa Các phương pháp nghiên cứu điện hóa thực thiết bị Autolab PGSTAT 302N với điện cực: điện cưc so sánh (RE) Ag/AgCl; điện cực đối (CE) Pt điện cực làm việc (WE) làm từ kim loại nghiên cứu Phương pháp đo đường cong phân cực: đường cong phân cực đo thiết bị Autolab điều khiển phần mềm Nova 2.1.4 Khoảng quét: ± 0,15 V so với mạch hở (OCP); tốc độ quét 0,001 V/s Hiệu ức chế ăn mòn ( , %) theo phương pháp tính theo cơng thức (1): Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 76, 12 - 2021 99 Hóa học & Mơi trường (1) Trong đó, mật độ dịng ăn mịn (A/cm2) khơng có có chất ức chế KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia Dung dịch đo ăn mòn với hàm lượng phụ gia AC-2MH từ 0%, 3%, 5%, 7% theo khối lượng dùng làm dung dịch điện ly đo ăn để nghiên cứu, khảo sát Kết đo đường cong phân cực điện cực khác thể hình Từ giản đồ đường cong phân cực cho thấy thay đổi hàm lượng phụ gia AC-2MH làm thay đổi ăn mòn Kết nghiên cứu cho thấy, tăng hàm lượng phụ gia, ăn mòn dịch chuyển phía dương Điều cho thấy, kim loại khó bị ăn mòn A-0.0AC-2MH A-3.0AC-2MH A-4.0AC-2MH A-5.0AC-2MH A-6.0AC-2MH A-7.0AC-2MH 10-6 G-0.0AC-2MH G-3.0AC-2MH G-4.0AC-2MH G-5.0AC-2MH G-6.0AC-2MH G-7.0AC-2MH 10-5 WE.Current (A) WE.Current (A) 10-5 10-7 10-6 10-7 10-8 10-8 10-9 -1.2 -1.1 -1.0 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 10-9 -0.7 -0.4 -0.6 Potential applied (V) -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 Potential applied (V) a) b) Hình Giản đồ đường cong phân cực hợp kim nhôm A(a) thép G (b) với hàm lượng phụ gia AC-2MH khác Đồ thị đường cong phân cực cho thấy, suy giảm mật độ dòng ăn mòn tăng hàm lượng phụ gia sử dụng Bằng phép ngoại suy Tafel, số liệu tốc độ ăn mịn tính từ đường cong phân cực thể đồ thị hình Kết hình 2, cho thấy phụ gia AC-2MH có hiệu tốt việc ức chế ăn mòn với hợp kim A, G, C1 Với hàm lượng tối ưu sử dụng hợp kim A G 5%, với C1 hàm lượng sử dụng khoảng từ 3-4% cho hiệu ức chế ăn mòn cao Từ kết này, hàm lượng 5% phụ gia AC-2MH cho nghiên cứu Tốc độ ăn mòn (mm/năm) 0.25 A G C1 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 Hàm lượng AC-2MH (%) Hình Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia AC-2MH lên tốc độ ăn mòn kim loại 100 N T Hương, …, T Đ Hồnh, “Nghiên cứu ảnh hưởng … mơi trường ethylene glycol.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ Quá trình nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu ức chế ăn mòn phụ gia AC2MH tiến hành với hàm lượng 5% phụ gia dung dịch EG 95% so sánh, đối chiếu với mẫu không sử dụng phụ gia Vùng nhiệt độ khảo sát từ 30 oC đến 70 oC Kết đồ thị hình Sự thay đổi đường cong phân cực tăng nhiệt độ từ 30 oC lên 70 oC trường hợp có khơng có phụ gia AC-2MH kim loại đồng C1 thể hình ảng Hiệu bảo vệ phụ gia AC-2MH theo nhiệt độ Hiệu bảo vệ, % Nhiệt độ, oC Nhôm A Thép G Đồng C1 30 97.0 99.1 97.4 50 95.5 95.0 93.7 70 94.8 90.4 89.2 Từ đồ thị hình nhận thấy rằng, tốc độ ăn mòn vật liệu nghiên cứu tăng đáng kể theo nhiệt độ Khi chưa có phụ gia, tốc độ ăn mòn hợp kim nhôm A tăng từ 0,0759 lên 0,1446 mm/năm nhiệt độ tăng từ 30 oC lên 70 oC Kết nghiên cứu thép G 0,2461 lên 0,4580 mm/năm đồng C1 0,0271 lên 0,0368 mm/năm Khi bổ sung phụ gia AC-2MH tốc độ ăn mòn giảm đáng kể, chúng tăng theo chiều tăng nhiệt độ Cụ thể, tốc độ ăn mịn hợp kim nhơm A tăng từ 0,0023 lên 0,0075 mm/năm, thép G tăng từ 0,0022 lên 0,0441 mm/năm đồng C1 tăng từ 7,5×10-4 lên 0,0047 mm/năm nhiệt độ tăng từ 30 lên 70 oC Kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ ăn mòn khác phụ gia trình bày bảng 0.16 0.1446 G-0AC-2MH G-5AC-2MH Tốc độ ăn mòn (mm/năm) Tốc độ ăn mòn (mm/năm) 0.14 0.12 0.1035 0.10 0.0759 0.08 0.4580 0.5 A-0AC-2MH A-5AC-2MH 0.06 0.04 0.4 0.3621 0.3 0.2461 0.2 0.1 0.02 0.0023 0.00 0.0441 0.0075 0.0047 20 30 40 50 60 70 80 0.0181 0.0022 0.0 20 30 40 Nhiệt độ (oC) 50 60 70 80 Nhiệt độ (oC) a) b) 0.055 C1-0AC-2MH C1-5AC-2MH 0.050 Tốc độ ăn mòn (mm/năm) 0.045 0.0437 0.0378 0.040 0.035 0.0285 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 20 30 0.0047 0.0024 7.5279E-04 0.000 40 50 60 70 80 Nhiệt độ (oC) c) Hình Sự thay đổi tốc độ ăn mòn theo nhiệt độ có khơng có phụ gia hợp kim nhôm A (a), thép G (b) đồng C1 (c) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 76, 12 - 2021 101 Hóa học & Mơi trường Kết bảng cho thấy, hiệu bảo vệ phụ gia AC-2MH giảm nhiệt độ tăng, nhiên, phụ gia cho mức độ bảo vệ xấp xỉ 90% Chỉ có trường hợp đồng C1 hiệu bảo vệ đạt 89,2% nhiệt độ 70 oC, lại trường hợp với nhôm A thép G cho hiệu 90% Từ đây, thấy phụ gia AC-2MH có tác dụng bảo vệ kim loại tốt điều kiện nhiệt độ tăng WE.Current (A) 10-5 C1-(-70oC) C1-(-50oC) C1-(-30oC) C1-(70oC) C1-(50oC) C1-(30oC) 10-6 10-7 10-8 -0.10 -0.05 0.00 0.05 Potential applied (V) Hình Đường cong phân cực đồng C1 có khơng có phụ gia AC-2MH nhiệt độ khác KẾT LUẬN Kết nghiên cứu ăn mòn phương pháp đường cong phân cực cho thấy hệ phụ gia phức hợp AC-2MH có hiệu bảo vệ chống ăn mòn tốt cho ba kim loại gồm hợp kim nhôm A23190 (A), thép G10200 (G) đồng đỏ C11000 (C1), với hàm lượng cho hiệu bảo vệ 5% dung dịch ethylen glycol 95% Khảo sát hiệu bảo vệ chống ăn mòn nên kim loại khoảng nhiệt độ từ 30 oC đến 70 oC cho thấy hệ phụ gia có hiệu bảo vệ giảm nhiệt độ tăng đạt hiệu xấp xỉ 90% TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] W G Lloyd and F C Taylor, "Corrosion by and Deterioration of Glycol and Glycol-Amine Solutions," Industrial & Engineering Chemistry, vol 46, no 11, pp 2407-2416, 1954/11/01 1954 [2] G Song and D H StJohn, "Corrosion of magnesium alloys in commercial engine coolants," Materials and Corrosion, vol 56, no 1, pp 15-23, 2005 [3] W Zhou, N N Aung, A Choudhary, and M Kanouni, "Evaluation of corrosion resistance of magnesium alloys in radiator coolants," Corrosion Engineering, Science and Technology, vol 46, no 4, pp 386-391, 2011/06/01 2011 [4] G.-L Song and D StJohn, "Corrosion behaviour of magnesium in ethylene glycol," Corrosion Science, vol 46, pp 1381-1399, 06/01 2004 [5] A Haroooni, H Eskandari, M H Maddahy, I Danaee, and S Nikmanesh, "Corrosion behavior of 6063 aluminum alloy in ethylene glycol-water solution," Iranian Journal of Materials Science and Engineering, vol 12, pp 34-44, 12/01 2015 [6] J Zaharieva, M Milanova, M Mitov, L Lutov, S Manev, and D Todorovsky, "Corrosion of aluminium and aluminium alloy in ethylene glycol–water mixtures," Journal of Alloys and Compounds, vol 470, no 1, pp 397-403, 2009/02/20/ 2009 [7] M Asadikiya, Y Zhong, and M Ghorbani, "Corrosion Study of Aluminum Alloy 3303 in WaterEthylene Glycol Mixture: Effect of Inhibitors and Thermal Shocking," International Journal of Corrosion, vol 2019, p 9020489, 2019/01/10 2019 102 N T Hương, …, T Đ Hoành, “Nghiên cứu ảnh hưởng … môi trường ethylene glycol.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ABSTRACT STUDY ON EFFECT OF TEMPERATURE AND CONTENT ON EFFECTIVE CORROSION INHIBITOR OF MULTI-METAL ADDITIVE SYSTEM USED IN ETHYLENE GLYCOL-BASED COOLANT This work presents the results of research on the anti-corrosion ability of AC-2HM complex additive system consisting of traditional additives combining organic acids on multi-metal systems including steel, copper, aluminum in corrosion water The results show that the optimal concentration of the additive is 5% of the amount of cooling water Research results of the electrochemical method show that the additive system has the ability to inhibit corrosion up to over 97%-99% under normal conditions At high temperatures, the corrosion inhibition efficiency is reduced to 89-94% Keywords: Coolant; Ethylene glycol; Corrosion inhibitors; Electrochemical method Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 76, 12 - 2021 103 ... Hình Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia AC-2MH lên tốc độ ăn mòn kim loại 100 N T Hương, …, T Đ Hoành, ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng … môi trường ethylene glycol. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ 3.2 Ảnh hưởng nhiệt. . .Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong nghiên cứu này, hiệu ức chế ăn mòn hệ phụ gia AC-2MH phức hợp nhiều thành phần, kết hợp chất ức chế ăn mịn vơ chất ức chế axit hữu nhằm bảo vệ đa kim loại. .. độ Q trình nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu ức chế ăn mòn phụ gia AC2MH tiến hành với hàm lượng 5% phụ gia dung dịch EG 95% so sánh, đối chiếu với mẫu không sử dụng phụ gia Vùng nhiệt độ