Báo cáo thực tập công nghệ điện hóa

BÁO CÁO THỰC TẬP CƠNG NGHỆ ĐIỆN HĨA BÀI 1: XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ DỊNG ĂN MỊN TRONG CÁC MƠI TRƯỜNG ĐỐI VỚI THÉP CT3 VÀ INOX 316L BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HĨA I Ăn mịn điện hóa: Ăn mịn gì: Ăn mịn diễn tiến tự nhiên Đại diện việc kim loại hoàn nguyên trạng thái tự nhiên chúng loại quặng, khống sản (thường dạng oxide) Ăn mịn phản ứng bất thuận nghịch liên bề mặt vật liệu (kim loại, ceramic, polyme) với môi trường dẫn đến việc hao mòn hòa tan vào vật liệu vào thành phần môi trường Một kim loại bị cơng phá hoại phản ứng hóa học phản ứng điện hóa với mơi trường mà chúng tồn Các ngun nhân phổ biến gây ăn mịn: • Sự không tinh khiết kim loại, việc lẫn kim loại khác thành phần • Sự khác biệt kích thước hạt, tinh thể kim loại cấu trúc • Sự khác biệt nồng độ chất gây ăn mịn hai pha, hai mơi trường • Các nguyên nhân học: ma sát, … Ăn mòn điện hóa học: Ăn mịn điện hóa kết hai phản ứng đồng thời bổ sung với nhau, phản ứng anode – phản ứng cathode việc trao đổi electron có vai trị chủ đạo Thế ăn mòn (Ecorr) điện cực mà tốc độ oxy hóa kim loại M (dòng anode Ia) tốc độ dòng khử Z x+ (dòng cathode Ic) Tốc độ ăn mòn tức thời tính từ dịng ăn mịn phương pháp ngoại suy Tafel ( Phân cực lớn): I = Ia + (−Ic) = Icorr = Ia = −Ic Ia = Icorr exp [αnF/RT (E − Ecorr)] = Icorr exp [2.303(E − Ecorr)/ba] Ic = Icorr exp [−βnF/RT (E − Ecorr)] = Icorr exp [ − 2.303(E − Ecorr)/bc] I = Icorr {exp [2.303(E − Ecorr)/ba ] − exp [ − 2.303(E − Ecorr)/bc]} Phương trình Tafel: η = a + b log | i | Phân cực anode lớn: i ∼ ia i = io exp (αnFη)/ RT ⇒ ηa = −( 2.303RT)log io /αnF + (2.303RTlogi)/ αnF ba = (2.303RT)/αnF a = (− 2.303RT) log io/αnF Phân cực cathode lớn: i ∼ ic i = io exp [(1-α)nFη]/ RT ⇒ ηc (2.303RTlogi)/ [(1-α)nF] bc = (2.303RT)/[(1-α)nF] = −( 2.303RT)log io /[(1-α)nF] + a = (− 2.303RT) log io/[(1-α)nF] i = icorr {exp [(αnFη)/RT] – exp[ (−βnFη)/RT]} η – độ lệch so với ăn mòn η = E – Ecorr Phân cực anode lớn: i ∼ ia i = icorr exp [(αnFη)/RT] ⇒ η = (− 2.303RT/αnF) log icorr + (2.303RT/αnF) log ia) Phân cực cathode lớn: i ∼ ic i = icorr exp [(-βnFη)/RT] ⇒ η = (2.303RT/ βnF) log icorr - (2.303RT/ βnF) log ia) Xác định tốc độ ăn mịn v (mm/year): • icorr – mật độ dịng ăn mịn (mA/cm2 ) • EW – đương lượng gram (g/mol) • d –khối lượng riêng kim loại (g/cm3 ) II Nghiên cứu ăn mòn điện hóa vật liệu kim loại: Thép CT3 Tóm lược thép CT3: Thép CT3 thép có hàm lượng Cacbon thấp (chiếm từ 0.14% – 0.22%) Chính thép CT3 sở hữu độ bền kéo cao, khả chống ăn mòn tốt Thép ứng dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp đóng tàu,chế tạo ô tô, làm thùng chứa nhiên liệu, xăng dầu, thùng container, kết cấu nhà xưởng,… Thép CT3 loại thép cacbon dễ kiếm, dễ nấu luyện không chữa hợp kim đắt tiền dựa vào thành phần thép sau: • Carbon: 0.14% – 0.22% • Mangan: 0.4% – 0.6% • Silic: 0.12% – 0.3% • Lưu huỳnh: ≤ 0.05% • Phốt pho: ≤ 0.04% Thí nghiệm nghiên cứu ăn mịn điện hóa thép CT3: Chuẩn bị dung dịch đo: • 50 mL nước máy phịng thí nghiệm • 50 mL dung dịch NaCl 10−2 M • 50 mL dung dịch H2SO4 10−3 M • Chuẩn bị điện cực thép CT3: Sử dụng loại giấy đánh bóng từ thơ đến mịn(P120, P400, P600, P800, P1000) bề mặt điện cực thép CT3 đúc nhựa epoxy từ 10 đến 15 phút đảm bảo bề mặt nhẵn bóng, khơng cịn lớp oxide để tiến hành thí nghiệm Điện cực thép CT3 có đường kính D = 0,6 cm có tỷ trọng d = 7,85 g/cm3 • Phân cực Tafel: quét khoảng ±250 mV so với cân với tốc độ quét mV/s • Lắp hệ thống thí nghiệm hình: Kết thí nghiệm: • Q trình ăn mịn thép CT3 dung dịch H2SO4: Đường Tafel • Q trình ăn mòn thép CT3 dung dịch NaCl: Đường Tafel • Ăn mòn thép CT3 dung dịch nước máy: Đường Tafel Xác định dòng ăn mòn tốc độ ăn mịn thép CT3 mơt trường khác nhau: E corr (V) Log (icorr ) H2O (Nước máy) NaCl -0,306 -5,88 -4,82 -0,509 H2SO4 -0,513 -4,98 -5,13 -4,60 -4,51 log(icorr) icorr (A/cm2) v ăn mịn trung bình (mm/year) -6 -5,85 1,413.10 0,0159 -5,05 8,872.10-6 0,0997 -4,56 2,783.10-5 0,313 Diệp Hữu Bằng _ 18247059 • Nhận xét: Từ số liệu mật độ dòng ăn mòn kết hợp với tốc độ ăn mòn thép CT3 ba môi trường khác cho thấy: + Ở mơi trường nước máy tốc độ bị ăn mịn thép CT3 thấp xấp xỉ 0,0159 mm/year + Ở mơi trường có pH thấp, tức có mặt H+ tốc độ ăn bị ăn mòn thép CT3 tăng lên đáng kể xấp xỉ 0,313 mm/year tốc độ ăn mịn mơi trường tăng đến gần 20 lần so với môi trường nước máy thông thường nhanh gấp lần so với môi trường NaCl nồng độ 10-2 M , ăn mòn giảm thấp so với hai môi trường Thông qua tài liệu tham khảo bên ta có so sánh tương tối độ chống chịu ăn mịn thép CT3 ba mơi trường sau: THÉP CT3 Mơi trường v ăn mịn (mm/year) 0,0159 0,0997 0,313 Nước máy NaCl 10-2M H2SO4 10-3M Độ chống chịu ăn mịn Tuyệt vời Rất tốt Tốt Nói chung thép CT3 có độ chống chịu mài mịn tốt môi trường khác nhau, đến với giá thành tốt tính chất ứng dụng rộng rãi đời sống đặc biệt cơng trình xây dựng, kiến trúc… Nghiên cứu ăn mịn điện hóa mơi trường acid lên vật liệu: INOX 316L Tóm lược vật liệu INOX 316L: III Inox 316 / 316L thép không gỉ austenit molypden chịu lực Hàm lượng niken molipđen cao lớp cho phép thể tính chất chống ăn mịn tốt so với 304, đặc biệt rỗ nứt kẽ mơi trường clorua Ngồi ra, hợp kim 316 / 316L cung cấp độ bền kéo cao, độ bền đứt độ bền đứt nhiệt tuyệt vời, khả hình thành khả hàn bật 316L phiên carbon thấp 316 hoạt động hơn; đó, thường sử dụng thành phần hàn khổ lớn Thép không gỉ 316 (INOX) có nhiều carbon 316L Điều dễ nhớ, chữ L viết tắt “low” Nhưng có carbon hơn, 316L giống với 316 hầu hết phương diện Chi phí giống nhau, hai bền, chống ăn mòn, lựa chọn tốt cho tình căng thẳng cao Tuy nhiên, 316L lựa chọn tốt cho dự án đòi hỏi nhiều hàn 316L loại thép không gỉ tuyệt vời cho nhiệt độ cao, sử dụng ăn mịn cao, lý phổ biến để sử dụng dự án xây dựng hàng hải Thí nghiệm xác định vùng ăn mịn vật liệu hợp kim thụ động không gỉ đường cong phân cực anode: INOX 316L • Chuẩn bị 100 mL H2SO4 M • Chuẩn bị điện cực inox 316L: Điện cực INOX 316L đúc nhựa epoxy với đường kính D = 1cm khối lượng riêng d = 7,98 g/cm3 mài nhẵn bề mặt giấy nhám có đường kính hạt nhỏ dần ( P120, P400, P600, P800, P1000) Mài thời gian từ 15 đến 20 phút để đảm bảo bề mặt điện cực làm việc khơng cịn lớp oxide thụ động cho q trình ăn mịn diễn bình thường Lắp hệ điện hóa hình: • Ghi nhận giá trị OCV 30–45 phút Quét tuyến tính với tốc độ quét 0.15 mV/s từ giá trị OCV đến 1.6 V (vs Ag/Ag/Cl) Kết thí nghiệm: Sau quét phân tích số liệu ta có đường cong phân cực anode điện cưc INOX 316L, đường cong vẽ theo phân cực log dòng phân cực Từ đường cong phân cực ta thấy được: + Tại E < -0,3 V vùng miễn dịch ăn mịn INOX 316L, INOX 316L không bị tác động ăn mịn mơi trường + Tại khoảng từ -0,3 V đến -0,2 V vùng hoạt động INOX 316L, khoảng này, INOX bị ăn mịn nhanh mơi trường + Tại E = -0,25V tương ứng logi = -4 ta có dịng ăn mịn lớn khoảng [-0.3,0.2] V, điểm thụ động hóa sơ cấp (Ep) dịng thụ động tới hạn (icp) + Tại E = -0, V dòng ăn mòn giảm sâu, cho thấy sau qua vùng hoạt hoá, INOX 316L tái thụ động + Khoảng từ - 0,2 0,0 V tiếp tục vùng hoạt hóa INOX 316L Cùng điểm E = -0,1 logi = -5,1 điểm thụ động hóa thứ cấp dịng ăn mịn thới hạn thứ cấp + Tại E = 0,03 V, dòng ăn mòn lần giảm sâu logi =-7 cho thấy kim loại tái thụ động lần 10 • Rửa điện cực với ethanol loại bỏ chất hữu bám dính khơng cần thiết, sau đem sấy khơ Các mẫu sau điện phân: Đánh giá tính chất điện hóa điện cực PANi dung dịch H2SO4 1M: + Dùng phương pháp qt vịng tuần hồn + Vùng quét thù 0V đến 1V ( Vs Ag/AgCl) + Tốc độ quét 10 25 mV/s chu kỳ Lắp hệ điện phân hình: 16 Kết đánh giá: • Mẫu điện cực in carbon không đế đồng, aniline không graphene, quét tốc độ 10 mV/s (Mẫu 1a) • Mẫu điện cực in carbon không đế đồng, aniline không graphene, quét tốc độ 25 mV/s:( Mẫu 1b) 17 • Mẫu điện cực in carbon khơng đế đồng, aniline + 0,2mg graphene quét 10 mV/s: (Mẫu 2a) • Mẫu điện cực in carbon không đế dồng, aniline + 0,2mg graphene quét 25 mV/s: (Mẫu 2b) • Mẫu điện cực đế đồng, aniline không graphene, quét tốc độ 10mV/s: (Mẫu 3a) 18 • Mẫu điện cực đế đồng, aniline không graphene quét tốc độ 25 mV/s: ( Mẫu 3b) • Mẫu điện cực đế đồng, aniline +0,2 mg graphene quét tốc độ 10 mV/s: ( Mẫu 4a) 19 • Mẫu điện cực đế đồng, aniline + 0,2 mg graphene quét tốc độ 25 mV/s ( Mẫu 4b) Dung dịch phủ màng Aniline AnilineGraphene Điện cực in Mẫu Carbon Carbon đế đồng Carbon Carbon đế đồng Tích phân IdE diện tích điện cực Điện dung (F/cm2) 1a 1b 3a 3b Tốc độ quét (mV/s) 10 25 10 25 0,06796 0,06034 2,3727 1,5945 0,12566 0,12566 0,12566 0,12566 27,04 9,604 944,1 253,8 2a 2b 4a 4b 10 25 10 25 0,05888 0,05923 2,3730 0,82710 0,12566 0,12566 0,12566 0,12566 23,42 9,426 944,2 131,6 Giá trị điện dung riêng (Csp) xác định thông qua biểu thức: Trong đó: • Area – giá trị xác định từ biểu đồ quét • ν – tốc độ quét (V/s) • m – khối lượng vật liệu hoạt điện (gram) • ∆E – khoảng quét (V) Nhận xét: 20 + Thơng qua giá trị điện dung riêng tính tốn thơng qua biểu thức ta thấy rằng, việc sử dụng điện cực điện cực in có đơn carbon có điện dung nhỏ hẳn so với điện cực có đế đồng Vì đồng có độ dẫn điện cao so với carbon hiệu suất dòng điện làm việc cao hẳn so với có đơn đế đồng + Tại dung dịch aniline có thêm vào 0,2 mg graphene ta thấy điện dung sản phẩm có xu hướng giảm độ giảm khơng q lớn so với khơng có graphene, nguyên nhân dẫn đến tượng hạt graphene bám lên bề mặt điện cực khiến lớp phủ khơng hồn chỉnh phân tán không đồng điều graphene gây sai lệch giảm hiệu suất dòng điện + Tại biểu đồ quét điện cực có đế đồng, hình dạng đồ thị có bị biến dạng sai lệch so với hình dạng “chiếc lá” lý thuyết lúc quét đồng bị oxi hóa – khử mơi trường acid H2SO4 , thấy peak oxi hóa peak khử biểu đồ quét thê 21 BÁO CÁO THỰC TẬP CƠNG NGHỆ ĐIỆN HĨA BÀI 3: TỔNG HỢP MANGANESE DIOXIDE BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT ĐIỆN HĨA BẰNG PHƯƠNG PHÁP QT THẾ VỊNG TUẦN HỒN I Tổng quan vật liệu Manganese dioxide: Manganese dioxide hợp chất vơ có cơng thức hóa học MnO2 Hợp chất chất rắn có màu đen nâu tồn tự nhiên dạng khống sản pyrolusite, quặng kim loại mangan Hợp chất sử dụng chủ yếu để chế tạo loại đơn pin khô, mà tiêu biểu pin kiềm pin kẽm-cacbon Nó cịn sử dụng làm chất xúc tác tổng hợp hữu cơ,… Manganese dioxide điện phân (EMD) sử dụng pin kẽm-cacbon với kẽm clorua amoni clorua EMD thường sử dụng đơn pin kiềm sạc lại kẽm mangan đioxit (Zn RAM) Đối với ứng dụng này, độ tinh khiết vô quan trọng EMD sản xuất theo cách tương tự đồng cứng điện phân (ETP) : Manganese dioxide hịa tan axit sulfuric (đơi trộn với mangan sulfat ) chịu dòng điện hai điện cực MnO hòa tan, vào dung dịch dạng sunfat, lắng đọng cực dương Giống nhiều chất dioxide khác, MnO2 kết tinh cấu trúc tinh thể rutile (dạng gọi pyrolusit β-MnO2, với oxit ba tọa độ tâm kim loại bát diện Dạng đa hình α MnO2 có cấu trúc mở với "kênh" chứa nguyên tử kim loại bạc bari α-MnO2 thường gọi hollandite 22 II Tổng hợp MnO2 phương pháp điện phân: Chuẩn bị dung dịch điện phân: + 250 mL dung dịch Mn(NO3)2 0.3M (pH = 1, môi trường H2SO4) + 250 mL dung dịch Mn(NO3)2 0.3M + Na2SO4 0.9M (pH=1) Điện phân với mật độ dòng 2.5 MA/ cm2 30 phút Lần lượt hai dung dịch Lắp đặt hệ thống điện phân dung dịch bắt đầu điện phân: Khối lượng điện cực trước sau điện phân: Mẫu 1,2: Mn(NO3)2 0.3M pH (H2SO4) Mẫu 3,4: Mn(NO3)2 0.3M Na2SO4 0.9 M với pH (H2SO4) Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Khối lượng ban đầu (g) 1.9291 3.9785 4.0367 2.1140 Mật độ dịng (mA/cm2) 2.5 2.5 Diện tích làm việc (cm2) 1 1 Khối lượng sau điện phân (g) 1.9304 3.9802 4.0379 2.1180 Khối lượng thay đổi thực (g) 0.0013 0.0017 0.0012 0.0040 Khối lương thay đổi theo lý thuyết (g) 0.0020 0.0040 0.0020 0.0040 23 Hiệu suất dòng (%) 65.0 42.5 60.0 100.0 III Đánh giá tính chất điện hố lớp phủ MnO2 phương pháp qt vịng tuần hồn để xác định điện dung riêng: Đánh giá tính chất điện hóa điện cực sau điện phân dung dịch KCl M + Dùng phương pháp CV + Quét vùng – V (vs Ag/AgCl) với chu kỳ + Tốc độ quét 10 & 25 mV/s Lắp hệ điện hóa đánh giá tính chất lớp MnO2: Kết đánh giá: • Mẫu tốc độ quét: 10 mV/s: 24 • Mẫu tốc độ quét 25 mV/s: 25 • Mẫu tốc độ quét 10 mV/s • Mẫu tốc độ quét 25 mV/s • Mẫu tốc độ quét 10 mV/s 26 • Mẫu tốc độ quét 25 mV/s • Mẫu tốc độ quét 10 mV/s • Mẫu tốc độ quét 25 mV/s Kết điện dung riêng sản phẩm: 27 Giá trị điện dung riêng (Csp) xác định thơng qua biểu thức: Trong đó: • Area – giá trị xác định từ biểu đồ quét • ν – tốc độ quét (V/s) • m – khối lượng vật liệu hoạt điện (gram) • ∆E – khoảng quét (V) MẪU Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Tốc độ quét (V/s) 0,01 0,025 0,01 0,025 0,01 0,025 0,01 0,025 tích phân IdE 9,716 4,623 2,160 1,667 1,861 1,619 14,78 7,326 Khối lượng thay đổi(g) 0,0013 0,0013 0,0017 0,0017 0,0012 0,0012 0,004 0,004 Điện dung (F/g) 373701,7 71129,5 63539,1 19606 77532,9 26984,5 184806,4 36629,5 Nhận xét: + Theo kết thu được, hiệu suất điện phân dòng điện khoảng từ 40% đến 65% so với tính tốn lý thuyết Ngun nhân gây tiêu hao phần lượng dịng điện điện trở dung dịch mà tiến hành điện phân + Ở mẫu số có hiệu suất dịng điện phân thấp Ngun nhân dịng điện dùng điện phân lớn 5mA điện phân lớn khoảng 2,17 V điện cực xuất việc điện phân nước gây hiệu suất dịng Ngồi việc cịn làm sản phẩn sinh khó bám vào bề mặt điện cực, bọt khí chiếm hết diện tích nguyên nhân làm giảm sản phẩm nghiêm trọng 28 Điện phân nước cao: + Tại mẫu số hiệu suất dòng tốt gần tuyệt đối, có nguyên nhân giảm thấp việc xuất bọt khí bề mặt điện cực, điện trở khối dung dịch giảm thiểu cách cho thêm Na2SO4 , muối làm tăng độ dẫn dung dịch lên góp mặt ion phân ly nước Từ cho thấy, dịng điện cường độ 2,5mA dung dịch có bổ sung Na2SO4 có hiệu suất điện phân cao Mẫu số xuất bọt khí điện phân nước: 29 30 ... đồng bị oxi hóa – khử mơi trường acid H2SO4 , thấy peak oxi hóa peak khử biểu đồ quét thê 21 BÁO CÁO THỰC TẬP CƠNG NGHỆ ĐIỆN HĨA BÀI 3: TỔNG HỢP MANGANESE DIOXIDE BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN DUNG... dịng điện điện trở dung dịch mà tiến hành điện phân + Ở mẫu số có hiệu suất dòng điện phân thấp Nguyên nhân dịng điện dùng điện phân lớn 5mA điện phân lớn khoảng 2,17 V điện cực xuất việc điện. .. 42.5 60.0 100.0 III Đánh giá tính chất điện hoá lớp phủ MnO2 phương pháp qt vịng tuần hồn để xác định điện dung riêng: Đánh giá tính chất điện hóa điện cực sau điện phân dung dịch KCl M + Dùng phương