Nghiên cứu ăn mòn sắt trong môi trường axit hcl có sử dụng chất ức chế nano2

Trường ĐHCN Hà Nội Khóa Luận tốt nghiệp MỞ ĐẦU Ăn mòn tượng phổ biến kim loại Vấn đề ăn mòn xuất tất khía cạnh cơng nghệ, gây hậu nghiêm trọng làm hư hại thiết bị, giảm hiệu suất máy móc, gây nhiễm sản phẩm thực phẩm,… Thậm chí ăn mịn cịn gây tai hoạ lớn cho lò phản ứng hạt nhân, máy bay, tên lửa, thiết bị tự động Khơng có vậy, ăn mịn cịn thường trở ngại việc tung sản phẩm thuộc lĩnh vực công nghệ cao lĩnh vực khí xác chúng thường xảy cách lường trước Trong nhiều trường hợp, ăn mịn trở thành yếu tố ngăn cản thành công công nghệ nhiều hứa hẹn Có thể nói ăn mịn gây thiệt hại vô to lớn trực tiếp lẫn gián tiếp Những thiệt hại gián tiếp khơng thể tính được, thường lớn nhiều so với thiệt hại trực tiếp Vì vậy, vào năm 1969, Chính phủ Anh thành lập Uỷ ban nghiên cứu để xác định tổn thất quốc gia đưa biện pháp để làm giảm tổn thất ăn mòn gây Khi kết nghiên cứu Anh áp dụng có điều chỉnh Đức làm tăng tổng sản phẩm quốc nội (GNP) Trong giai đoạn 1968-1969, người ta ước tính chi phí cho ăn mịn Đức vào khoảng 19 tỷ mark (tương đương tỷ USD) nước Đức giảm bớt 4,3 tỷ mark áp dụng biện pháp ngăn chặn ăn mòn Tổn thất ăn mòn kim loại hàng năm 1,85% đến 4,8% tổng thu nhập quốc dân (GDP) thực số khổng lồ Thí dụ, Mỹ (1975) 70 tỷ USD, Anh (1985) 10 tỷ bảng Anh Liên Xơ (cũ) 1987 90,7-105,9 tỷ USD Ngồi thiệt hại trực tiếp vật chất (đến 20% tổng lượng kim loại sản xuất hàng năm) ăn mòn kim loại gây thiệt hại gián tiếp khác giảm tuổi thọ làm việc máy móc, thiết bị, cơng trình, làm suy giảm chất lượng sản phẩm, gây nhiễm mơi trường, gây an tồn lao động, ảnh hưởng nghiêm trọng đến phát triển bền vững Nước ta nước nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm mưa nhiều, có bờ biển chạy dài nên kim loại bị ăn mịn nhiều nặng Trong mơi trường axit Khoa Cơng Nghệ Hóa Nguyễn Thị Thu Trang Trường ĐHCN Hà Nội Khóa Luận tốt nghiệp kim loại bị ăn mịn mạnh, để giảm ăn mòn người ta sử dụng chất ức chế, chất ức chế hợp chất đưa vào mơi trường ăn mịn với lượng nhỏ có tác dụng làm chậm xảy ăn mịn giảm tốc độ ăn mịn Chính nghiên cứu q trình ăn mịn biện pháp phịng chống ăn mòn hữu hiệu giúp quốc gia bảo vệ nguồn lực kinh tế đáng kể lĩnh vực công nghệ Công nghệ vật liệu có thành tựu đầy hứa hẹn chắn kim loại vật liệu quan trọng khơng muốn nói vật liệu chủ chốt tương lai Với hy vọng góp phần nghiên cứu trình ăn mịn kim loại nước ta em chọn đề tài: “Nghiên cứu ăn mịn sắt mơi trường axit HCl, có sử dụng chất ức chế NaNO2” * Mục tiêu đề tài em: - Tổng quan ăn mịn bảo vệ kim loại nói chung ăn mịn bảo vệ kim loại mơi trường axit nói riêng - Tổng quan phương pháp bảo vệ, đặc biệt phương pháp bảo vệ cách dùng chất ức chế NaNO�2 - Khảo sát thảo luận phụ thuộc tốc độ ăn mòn vào nhiệt độ, thời gian, nồng độ HCl nồng độ chất ức chế NaNO2 Khoa Công Nghệ Hóa Nguyễn Thị Thu Trang Trường ĐHCN Hà Nội Khóa Luận tốt nghiệp CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 ĂN MỊN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI Ăn mịn kim loại gây tổn hại to lớn cho kinh tế, trực tiếp đến 4-5% thu nhập quốc dân (GDP) đến 10% tổng sản lượng kim loại sản xuất hàng năm, tính đến thiệt hại gián tiếp cịn lớn nhiều Trong mơi trường axit, kim loại bị gây tác động không nhỏ đến trình ăn mịn kim loại Trong thời đại cơng nghiệp hóa mạnh mẽ đất nước, hoạt động xã hội sản xuất lại gây tác động, gây ô nhiễm cho môi trường đồng thời góp phần làm tăng tốc độ q trình ăn mịn kim loại Nghiên cứu yếu tố mơi trường axit tác động đến q trình ăn mịn kim loại để nhận thức quy luật nhằm kiểm soát hạn chế ăn mòn kim loại, giảm thiểu ảnh hưởng đến thiệt hại cho kinh tế cho an ninh quốc phòng đất nước trách nhiệm nghề nghiệp Nhằm nhìn nhận kết hiệu hoạt động nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực bảo vệ kim loại từ số cơng trình cơng bố tạp chí, sách xuất 1.1.1 Định nghĩa ăn mịn kim loại Lịch sử tiến hóa xã hội nhân loại gắn liền chặt chẽ với việc sản xuất sử dụng vật liệu cấu trúc mà vật liệu quan trọng kim loại hợp kim chúng Dưới tác dụng môi trường xâm thực, đại đa số kim loại không bền nhiệt động học bị phá hủy ăn mòn Ăn mòn kim loại phá hủy kim loại tương tác hóa học điện hóa kim loại với môi trường xung quanh Hàng ngày ta thường gặp q trình ăn mịn rạn nứt gỉ ống nối khí, phận giảm xóc, vỏ tơ hay cấu kiện xây dựng Theo định nghĩa suy thoái kim loại nguyên nhân vật lí học gẫy, nứt tải cầu sắt, cần trục…, xâm thực, mài mòn hay trương nở chất thạch cao phân tử khơng gọi ăn mịn Khoa Cơng Nghệ Hóa Nguyễn Thị Thu Trang Trường ĐHCN Hà Nội Khóa Luận tốt nghiệp Ăn mịn phá hủy kim loại hậu phản ứng kim loại với mơi trường xung quanh Những biến đổi khơng có tham gia pha ngoài, bệnh thiếc làm biến dạng cấu trúc thành lưới, 150C thiếc trắng biến thành thiếc xám…khơng gọi ăn mịn Trong vài trường hợp, tương tác hóa học kèm theo biến đổi vật lý gọi phong hóa-ăn mịn, ăn mòn xâm thực ăn mòn mệt mỏi Ăn mòn sắt hợp kim tạo thành gỉ hình thành oxit sắt hidrat hóa sản phầm ăn mịn Sắt hợp kim thường bị gỉ Các hợp kim khơng chứa sắt bị ăn mịn sản phẩm khơng gọi gỉ 1.1.2 Ý nghĩa việc nghiên cứu ăn mịn Người ta nói rằng, ăn mịn bệnh mà kim loại dễ bị mắc Các nhà nghiên cứu ăn mòn xem thày thuốc kim loại, chuẩn đốn tác hại ăn mịn cho điều dẫn cần thiết Sự ăn mòn kim loại làm biến đổi lượng lớn sản phẩm thành sản phẩm ăn mịn, làm thay đổi hồn tồn tính chất sản phẩm Sự ăn mịn kim loại đưa đến hậu nặng nề làm hao tổn kim loại Nó làm biến đổi tính chất kĩ thuật quan trọng kim loại tính ổn định học, độ mềm dẻo vài tính chất hóa lí độ cứng, độ phản xạ, độ dẫn điện…Do đó, đánh giá mát ăn mòn, ta phải khảo sát tất hậu ăn mòn gây Những mát ăn mịn chia thành mát trực tiếp mát gián tiếp Những mát trực tiếp bao gồm chi phí thay chi tiết bị ăn mịn (máy móc, ống dẫn…) phí tổn cho phương tiện bảo vệ (mạ điện, mạ niken cho thép hay phủ sơn, sử dụng chất ức chế…) Theo số liệu thống kê gần đây, thiệt hại ăn mòn kim loại gây Mĩ khoảng 4% tổng sản lượng quốc gia (GNP) (tức 300 tỉ USD/năm) Anh vào khoảng gần 4% GNP(tức khoảng 30 tỉ đồng bảng anh/năm) Người ta tính, khoảng phần ba lượng kim loại khái thác Khoa Công Nghệ Hóa Nguyễn Thị Thu Trang Trường ĐHCN Hà Nội Khóa Luận tốt nghiệp khơng sử dụng hàng năm bị ăn mòn phá hủy, hai phần ba lượng kim loại bị ăn mòn phục hồi lò mác tanh, lượng kim loại bị loại bỏ hồn tồn khơng thể sử dụng khoảng 10% lượng kim loại khai thác Ngày , tổng sản lượng sắt khai thác giới khoảng 800 triệu tấn/năm Mỗi năm lượng sắt khơng thể sử dụng ăn mịn khoảng 80 triệu Thêm vào ăn mịn gây hậu nghiêm trọng làm hư hại thiết bị(thiết bị phân phối nước, trung tâm nhiệt điện, nhà máy, thiết bị giao thông vận tải…), mát sản phẩm (nước, hơi, dầu mỏ…), giảm hiệu suất, làm bẩn sản phẩm thực phẩm…Vì vậy, thiệt hại gián tiếp khơng thể tính thường cao thiệt hại trực tiếp Sự ăn mòn gây tai họa to lớn cho lò phản ứng hạt nhân, máy bay, tên lửa thiết bị tự động Những thiệt hại ăn mòn kim loại gây nghiêm trọng nên nghiên cứu ăn mòn kim loại phịng chống ăn mịn kim loại cơng việc quan trọng 1.1.3 Phân loại trình ăn mịn Theo chế, ăn mịn kim loại phân làm loại: ăn mịn hóa học ăn mịn điện hóa a Ăn mịn hóa học: Là phản ứng hóa học dị thể bề mặt kim loại môi trường xung quanh, nghĩa phản ứng biến đổi kim loại thành ion Tương tác kim loại với môi trường lỏng không dẫn điện hay với khí khơ thí dụ điển hình ăn mịn hóa học Sự oxi hóa kim loại oxy hay tương tác kim loại với khí hoạt động khác (SO2, H2S, halogen, nước, CO2) Ở nhiệt độ cao dạng đặc biệt, quan trọng ăn mịn hóa học b Ăn mịn điện hóa: Là dạng ăn mịn phổ biến-là tương tác điện hóa bề mặt kim loại với mơi trường xung quanh, tuân theo quy luật động học điện hóa, nói khác đi, ăn mịn điện hóa dung dịch, ăn mịn điện hóa phản ứng phản ứng oxi biến đổi kim loại thành ion Khác với phản ứng oxi hóa - khử đồng thể xảy Khoa Cơng Nghệ Hóa Nguyễn Thị Thu Trang Trường ĐHCN Hà Nội Khóa Luận tốt nghiệp dung dịch, ăn mịn điện hóa phản ứng oxi hóa - khử dị thể xảy làm nhiều giai đoạn nhiều nơi khác bề mặt kim loại Do tồn ion dung dịch electron tự kim loại, ăn mòn điện hóa sảy q trình sau: +) Quá trình anốt: Xảy khu anot bề mặt kim loại Quá trình anot trình biến đổi trực tiếp kim loại thành ion hiđrat hóa dung dịch +) Quá trình catot: Xảy khu catot bề mặt kim loại, làm cho electron dư q trình anot bị đồng hóa vài chất nhận electron, gọi trình khử phân cực *) Phụ thuộc vào điều kiện ăn mòn, người ta phân kiểu ăn mịn phổ biến sau: -Ăn mịn khí -Ăn mịn chất điên ly -Ăn mòn đất -Ăn mòn điện -Ăn mòn tác dụng điện -Ăn mòn sinh học -Ăn mịn tồn -Ăn mịn hang hốc -Ăn mòn cục -Ăn mòn điểm -Ăn mòn giũa tinh thể -Ăn mòn xuyên tinh 1.1.4 Ăn mòn mơi trường axit Trong nước loại bỏ khí hay axit khơng có chất oxi hóa, số kim loại bị ăn mòn phản ứng catot khử hydro đồng thời xảy Do đó, q trình kiểm tra tốc độ ăn mòn trường hợp q trình khử hydro Khoa Cơng Nghệ Hóa Nguyễn Thị Thu Trang Trường ĐHCN Hà Nội Khóa Luận tốt nghiệp Trong trường hợp ăn mịn có giải phóng hydro, xảy phản ứng phóng điện ion hidroxoni: 2H3O+ + 2e  2H2O+2H  2H2O+H2 Các ion hidroxoni phóng điện phải bị hấp phụ bề mặt kim loại, ion phải nằm lớp Helmholtz lớp điện kép Mối liên hệ nồng độ ion hidroxoni hấp phụ[H3O+]s nồng độ ion hidroxoni dung dịch [H3O+]o exp (-F 1 /RT) Trong 1 bề mặt lớp helmholtz Phương trình động học q trình phóng điện viết: i= kF [H3O+]s exp (-W1/RT) lượng hoạt động hóa phản ứng phụ thuộc vào lớp helmoholtz Giữa lượng hoạt hóa điện cực có mối liên hệ: W1=W0- F (E- 1 ) Thực phép biến đổi thay W0�=WH F ta có: Dòng catot: ic=k1F[H3O+]o exp[- F /RT(E+(1-  )  1 -WH)] Dòng anot: ia=k2FCH exp [ F / RT (E+(1-  )  1 -WH)] Dịng phóng điện tổng qt: iC=ic-ia ic > > ia nên coi ic ~ i�C ta tính ăn mòn: E=const+RT/ F ln[H3O+]o- (1-  )  1 -( RT/ F ).ln i�C+WH 1.2 SẮT VÀ TÍNH CHẤT ĂN MÒN CỦA VẬT LIỆU SẮT (Fe) 1.2.1 Đặc điểm sắt: a, Vị trí, cấu tạo - Kí hiệu: Fe - Vị trí: chu kì IV, phân nhóm VIII B - Cấu hình electron 1s22s22p6 3s2 3p63d64s2 Khoa Cơng Nghệ Hóa Nguyễn Thị Thu Trang Trường ĐHCN Hà Nội Khóa Luận tốt nghiệp b Tính chất vật lý - Là kim loại có màu trắng xám, có tính dẻo, dễ dát mỏng - Có từ tính - Khối lượng riêng 7,87g/m3 - Nhiệt độ sôi 2870oC - Nhiệt độ nóng chảy 1359oC c Tính chất hoá học * Tác dụng với oxi: -Ở nhiệt độ thường: 3Fe + 2O2 = Fe3O4 -Ở nhiệt độ cao Fe + H2O(h) FeO + H2 * Tác dụng với halogen: 2Fe + 3Cl2 = FeCl3 * Tác dụng với lưu huỳnh: Fe + S = FeS * Tác dụng với nước: to Fe + H2O  Fe3O4 + H2 * Tác dụng với dung dịch axit: - Tác dụng với axit loãng: Fe + H2SO4  FeSO4 + H2  - Tác dụng với axit đặc: Fe + 4HNO3  Fe(NO3)3 + NO  + 2H2O * Tác dụng với muối kim loại yếu hơn: Fe + CuSO4  FeSO4 + Cu 1.2.2 Tính chất ăn mòn vật liệu kim loại sắt Sắt nguyên tố kim loại quan trọng đời sống kỹ thuật Sắt có lực hóa học mạnh với oxy, tự nhiên sắt tồn dạng oxit sắt Oxit sắt dễ hòa tan axit sắt bền vững mơi trường kiềm mơi trường axit Khoa Cơng Nghệ Hóa Nguyễn Thị Thu Trang Trường ĐHCN Hà Nội Khóa Luận tốt nghiệp Sắt bền với ăn mịn nguyên nhân sau - Điện điện cực tiêu chuẩn sắt E0Fe2+/Fe =0,44V không bền phương diện nhiệt động - Quá hydro sắt ηFeH2 thấp nên mơi trường axit sắt bị ăn mịn nhanh Sắt có hóa trị nên giản đồ sắt bị ăn mòn phức tạp Các phản ứng phương trình điện điện cực tương ứng liệt kê sau: Fe =Fe2+ + 2e EcbFe2+/Fe = -0.44 +0.0295 lgaFe2+ Fe +2H2O = Fe(OH)2 +2H+ +2e Fe +2H2O = H FeO2- +3H+ +3e Fe2+ +3H2O = Fe(OH)3 +3H+ +e Fe3+ +3H2�O = Fe(OH)3 + 3H+ 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN KIM LOẠI Có nhiều giải pháp khác để chống ăn mịn vật liệu, phải xuất phát từ trình độ phát triển kinh tế công nghiệp nước thời điểm mức độ quan trọng công trình nhu cầu sản xuất cho sản phẩm mà lựa chọn cho thích hợp Các phương pháp chung để chống ăn mịn vật liệu trình bày sơ đồ sau: Chống ăn mòn vật liệu Thiết kế Lựa chon vất liệu Xử lý bề mặt Xử lý mơi trường Bảo vệ điện hóa Từ định nghĩa ăn mòn kim loại phá huỷ tương tác kim loại với mơi trường, suy có nguyên tắc để bảo vệ kim loại: - Thay đổi thành phần tính chất kim loại Khoa Cơng Nghệ Hóa Nguyễn Thị Thu Trang Trường ĐHCN Hà Nội Khóa Luận tốt nghiệp - Thay đổi thành phần tính chất mơi trường - Ngăn cách kim loại tiếp xúc với môi trường xâm thực 1.3.1 Phương pháp che phủ Việc bảo vệ kim loại lớp che phủ phương pháp phổ biến Điểm mấu chốt phương pháp nhằm cô lập bề mặt kim loại khỏi môi trường xâm thực Các lớp che phủ bảo vệ phải đáp ứng số yêu cầu chung như: lớp bảo vệ khơng bị ăn mịn hay bị ăn mịn với tốc độ yếu nhiều so với tốc độ ăn mòn kim loại cần bảo vệ; lớp che phủ phải đủ độ dày có độ bám dính tốt… Tuỳ theo yêu cầu thực tế, người ta sử dụng lớp che phủ kim loại lớp che phủ không kim loại - Các lớp che phủ kim loại Có loại phủ kim loại phủ catơt phủ anơt Nếu lớp che phủ âm kim loại cần bảo vệ (kim loại nền), lớp che phủ gọi lớp che phủ anôt; ngược lại, kim loại che phủ dương kim loại ta có lớp che phủ catôt - Các lớp che phủ phi kim loại Các lớp che phủ phi kim loại gồm lớp che phủ chất vô hữu Các lớp che phủ hữu thường màng polime Sơn sơn lắc dùng rộng rãi thực tế chống ăn mòn kim loại chúng dễ che phủ lên chi tiết có nhiều loại hình dạng, kích thước, dễ dàng bịt kín lỗ, vết rạn nứt, không làm thay đổi tính chất kim loại a Phương pháp nóng chảy: Phủ kẽm, chì, thiếc lên chi tiết máy - Phủ kẽm: Nung nóng kẽm nhiệt độ 450-480oC sau nhúng chi tiết vào, lớp kẽm bám lên bề mặt chi tiết - Phủ thiếc: Nhúng chi tiết vào thiếc nóng chảy 270-300oC Áp dụng cho ngành luyện kim - Phủ chì: Nhúng chi tiết vào chì nóng chảy 350oC Bảo vệ chi tiết cơng nghiệp hóa học b Mạ kim loại: Làm đẹp, chống ăn mòn Đặt chi tiết mạ vào cực catot (-) Kim loại nguyên chất cần mạ đóng vai trị anot Dung dịch mạ thường Khoa Cơng Nghệ Hóa 10 Nguyễn Thị Thu Trang