2.2 Kỹ thuật điện hóa: (Phương pháp điện hóa nghiên cứu ăn mòn) 2.2.1 Khái niệm về kỹ thuật điện hóa: Đầu tiên, thì ta cần biết kỹ thuật điện hóa là gì? Kỹ thuật điện hóa là kiến thức cần thiết để thiết kế và vận hành một nhà máy công nghiệp bao gồm giai đoạn điện phân để sản xuất hóa chất hoặc để sản xuất thiết bị điện phân để phát điện. Cái trước liên quan đến việc sử dụng năng lượng điện để sản xuất hóa chất và cái sau liên quan đến việc sử dụng hóa chất để sản xuất năng lượng điện. Ngoài ra còn có một số quy trình dựa trên điện phân, ví dụ như gia công điện hóa và sơn điện di, rõ ràng thuộc về lĩnh vực kỹ thuật điện hóa. Các quá trình không điện phân như hiện tượng phóng điện có thể được coi là nằm ngoài phạm vi định nghĩa. Tác giả đã gọi nó là hướng dẫn về kỹ thuật xử lý điện hóa (Ε.Ρ.Ε).Sự chồng chéo giữa E.P.E. và kỹ thuật xử lý hóa học là đáng kể. Ví dụ, động lực học chất lỏng, truyền nhiệt và khối, nhiệt động lực học, các quá trình tách, mô hình hóa và tối ưu hóa quá trình cũng như điều khiển đều dựa trên các nguyên tắc giống nhau cho dù sử dụng lò phản ứng điện phân hay xúc tác. Một lần nữa, nhiều nghiên cứu tối ưu hóa sẽ mất đi giá trị đáng kể nếu ta xem xét lò phản ứng tách biệt khỏi giai đoạn phân tách sau này. Chúng ta hãy minh họa điều này bằng cách xem xét ngắn gọn sơ đồ quy trình thiết kế tế bào cơ học. Việc kết hợp mô hình lò phản ứng này với các mô hình cho các quy trình đơn vị liên quan chẳng hạn như quá trình chưng cất sẽ tạo ra một mô hình quy trình mới.
2.2 Kỹ Thuật Điện Hóa: (Phương pháp điện hóa nghiên cứu ăn mòn) 2.2.1 Khái niệm kỹ thuật điện hóa 2.2.2 Các thành phần hệ thống điện hóa 2.2.3 Các biến số quan trọng điện hóa 2.2.4 Kỹ thuật điện hóa ăn mịn kim loại: 2.3 Phân Tích Hệ điện cực (điện cực làm việc, điện cực đối điện cực so sánh đo thiết bị điện hóa) 2.2 Kỹ thuật điện hóa: (Phương pháp điện hóa nghiên cứu ăn mịn) 2.2.1 Khái niệm kỹ thuật điện hóa: Đầu tiên, ta cần biết kỹ thuật điện hóa gì? Kỹ thuật điện hóa kiến thức cần thiết để thiết kế vận hành nhà máy công nghiệp bao gồm giai đoạn điện phân để sản xuất hóa chất để sản xuất thiết bị điện phân để phát điện Cái trước liên quan đến việc sử dụng lượng điện để sản xuất hóa chất sau liên quan đến việc sử dụng hóa chất để sản xuất lượng điện Ngồi cịn có số quy trình dựa điện phân, ví dụ gia cơng điện hóa sơn điện di, rõ ràng thuộc lĩnh vực kỹ thuật điện hóa Các trình khơng điện phân tượng phóng điện coi nằm phạm vi định nghĩa Tác giả gọi hướng dẫn kỹ thuật xử lý điện hóa MΕ.Ρ.Ε).Sự chồng chéo E.P.E kỹ thuật xử lý hóa học đáng kể Ví dụ, động lực học chất lỏng, truyền nhiệt khối, nhiệt động lực học, q trình tách, mơ hình hóa tối ưu hóa q trình điều khiển dựa nguyên tắc giống cho dù sử dụng lò phản ứng điện phân hay xúc tác Một lần nữa, nhiều "nghiên cứu tối ưu hóa" giá trị đáng kể ta xem xét lò phản ứng tách biệt khỏi giai đoạn phân tách sau Chúng ta minh họa điều cách xem xét ngắn gọn sơ đồ quy trình thiết kế tế bào học Việc kết hợp mơ hình lị phản ứng với mơ hình cho quy trình đơn vị liên quan chẳng hạn q trình chưng cất tạo mơ hình quy trình [10] Hình Sơ đồ quy trình thiết kế tế bào học [10] Nhằm mục đích phân loại đánh giá ảnh hưởng môi trường đến độ bền chống ăn mòn vật liệu điều kiện tự nhiên điều kiện gia tốc việc lựa chọn phương pháp đánh giá tốc độ ăn mịn có ý nghĩa quan trọng Có nhiều phương pháp để đánh giá tốc độ ăn mòn Người ta dùng mắt thường dùng kính hiển vi quan sát trạng thái bề mặt kim loại bị ăn mịn cho phép đánh giá định tính phân loại ăn mòn theo dạng ăn mòn dạng ăn mòn cục Măn mòn điểm, ăn mòn khe…) Bảng Thang phân loại độ bền chống ăn mòn vật liệu kim loại Phân loại độ bền chống ăn Chỉ số độ bềnPmm/năm Xêp loại mòn Siêu bền 0,001 Độ bền cao 0,001 - 0,005 0,005 – 0,01 Có độ bền trung bình 0,01 – 0,05 0,05 – 0,1 Độ bền thấp 0,1 – 0,5 0,5 -1,0 Độ bền thấp 1,0 -5,0 5,0 -10,0 Hồn tồn khơng bền > 10,0 10 Để đánh giá cách định lượng phân loại độ bền chống ăn mòn theo tiêu chuẩn xác định Mxem bảng 1), việc xác định tốc độ ăn mịn kim loại sử dụng phương pháp sau: – Phương pháp trọng lượng – Các phương pháp phân tích nồng độ kim loại bị hồ tan vào mơi trường ăn mịn suy tốc độ ăn mòn kim loại – Sử dụng phương pháp điện hoá [6] 2.2.2 Các thành phần hệ thống điện hóa: Ăn mịn tế bào điện hóa M Electrochemical Cell hay Corrosion Cell) Như phần trình bày, ăn mịn thường định nghĩa phân hủy kim loại trình điện hóa Vậy q trình điện hóa gì? Q trình điện hóa định nghĩa phản ứng hóa học liên quan đến chuyển đổi Của electron hai điện cực Trong tế bào điện hóa Vì để hiểu ăn mịn kim loại, điều cần thiết biết tế bào điện hóa tế bào ăn mịn Tế bào điện hóa hay tế bào ăn mịn thiết bị chuyển đổi lượng Hóa học thành lượng điện Trong tế bào điện hóa, electron giải phóng q trình oxi hóa từ loại điện cực có tên Anot Các electron chạy qua dây dẫn dẫn đến điện cực thứ hai có tên catot, nơi mà chúng nhận.Phản ứng khử thành phần tế bào điện hóa là: Anot, catốt, dây dẫn kim loại dung dịch điện li Cả bốn thành phần phải có mặt để xảy tượng ăn mòn kim loại cực âm + Cực âm MAnot): Ở cực âm Anot, kim loại bị oxi hóa khiến bị khối lượng ăn mòn Các nguyên tử kim loại bị electron chuyển thành dạng ion kim loại + Dây dẫn kim loại: Các electron tạo phản ứng oxi hóa di chuyển đến cực dương Mcatot) dây dẫn + Cực dương M Catot): Quá trình khử diễn cực dương, electron bị tiêu hao M bị khử) Ion kim loại nhận electron hình thành nên lớp kim loại + Dung dịch điện ly: Cần phải có dung dịch dẫn điện M ví dụ: dung dịch muối để làm bề mặt, nơi diễn tượng ăn mòn Dung dịch điện phân chứa ion tích điện dương ion tích điện âm, gọi cation anion Quy trình phản ứng: Điện cực sắt tạo electron bị oxi hóa, Các electron di chuyển qua dây dẫn đến cực dương đồng.Sau electron tìm thấy ion đồng dung dịch đồng bị khử thành kim loại đồng Trong trình phản ứng điện cực sắt bị co lại kích thước Trong đó, điện cực đồng trở nên lớn đồng lắng đọng tạo Vì vậy, có điều kiện thành phần định chúng giúp đẩy nhanh q trình ăn mịn Và chúng gọi chung tế bào ăn mòn hay tế bào điện hóa Nói cách khác ăn mịn xảy hình thành tế bào điện hóa [11] Các thành phần hệ thống điện hóa bao gồm: - Điện cực làm việc: Điện cực nơi mà phản ứng điện hóa xảy Nó nơi mà dịng điện cung cấp tiếp xúc với mẫu để thực q trình điện hóa - Điện cực đối: Điện cực sử dụng để so sánh với điện cực làm việc Nó thường chọn để tạo điện biết ổn định - Điện cực so sánh: Điện cực sử dụng để đo đạc điện dịng điện q trình điện hóa Nó so sánh với điện cực đối để xác định thơng số điện hóa mẫu - Thiết bị điện hóa: Bao gồm thiết bị nguồn điện, điều khiển dòng điện, đo điện thế, đo dòng điện thiết bị điều khiển khác để kiểm sốt đo lường thơng số điện hóa - Electrochemical cells M cells done ) tế bào điện hóa, thiết bị điện hóa sử dụng nghiên cứu điện cực anot, catot, dùng để đo tổng trở điện hóa lớp màng sơn, khảo sát động học q trình ăn mịn - Dung dịch điện ly: Cần phải có dung dịch dẫn điện M ví dụ: dung dịch muối để làm bề mặt, nơi diễn tượng ăn mòn Dung dịch điện phân chứa ion tích điện dương ion tích điện âm, gọi cation anion Cụ thể hơn, thành phần hệ thống điện hóa phân tích phần phân tích hệ điện cực phía Hình Phương pháp khơng đổi (potentiostat) dịng khơng đổi (galvanostat) [9] 2.2.3 Các biến số quan trọng điện hóa: Trong phương pháp đo điện hóa, hai đại lượng vật lý quan trọng cần xác định dòng điện điện đại lượng có mối quan hệ chặt chẽ với q trình điện hóa Ví dụ, định luật Faraday biểu diễn mối quan hệ dòng điện lượng chất điện phân, hay phương trình Nernst biểu diễn mối quan hệ điện cực với nồng độ chất tham gia tạo thành trình điện cực Các phương pháp điện hóa phổ biến trường hợp sau: - Trên sở phụ thuộc điện theo thời gian điều kiện khơng có dịng điện MPotentiometry) - Trên sở mối quan hệ giòng điện điện MVoltammetry) - Phương pháp đo tổng trở MEIS) Các yếu tố gây nhiễu cho phép đo thể oxi hóa khử: Hình Sơ đồ đo oxi hóa khử - Ảnh hưởng hấp thụ hay ngộ độc điện cực: Việc nhiễm bẩn bể mặt điện cực, cầu muối hay chất điện li nội điện cực so sánh làm dịch chuyển điện cực đo Các chất hữu cơ, sunfit brom gây tác động này, đặc biệt dung dịch dùng lâu ngày - Sự thay đổi pH: Thế oxi hóa khử nhạy pH ion hidro hay ion hydroxyl có bình đo Thế bình tăng lên lượng proton tăng Mnghĩa pH giảm) giá trị Em giảm xuống lượng OH tăng Mnghĩa pH tăng) Chuyên chở bảo quản mẫu: Mẫu hỏng làm tăng điện trở mẫu làm thay đổi oxi hóa - khử Hiện tượng tương tự việc điện trở làm thay đổi pH dung dịch Thông thường nồng độ chất oxi hóa chất khử dung dịch thấp M 0,77 V: Fe2+ → Fe3+Mqt oxy hóa) Ví dụ: Trong dung dịch HCl, Fe hòa tan chậm giảm điện điện cực • Thực tế, người ta bảo vệ kim loại cách khống chế điện cực • Bản chất vật lý sản phẩm ăn mòn ảnh hưởng mạnh đến tốc độ ăn mịn • Có loại: o Ion hịa tan o Lớp màng khơng sít chặt o Lớp màng sít chặt Ion hịa tan: • Sự ăn mịn kim loại mơi trường axit thường tạo cation hydrat hóa dạng phức dung dịch • Các ion hịa tan khuếch tán dễ dàng từ bề mặt kim loại vào lòng dung dịch Sự có mặt ion ảnh hưởng đến tốc độ ăn mịn Ví dụ: ăn mịn thép axit Lớp màng khơng sít chặt: • Trong mơi trường trung tính kiềm, đơi mơi trường axit, sản phẩm ăn mịn hịa tan kết tủa bề mặt kim loại dạng hydroxit muối • Các lớp màng bề mặt sít chặt xốp, thường không bảo vệ kim loại làm giảm tốc độ ăn mịn Ví dụ: Sự tạo gỉ thép ngồi khí ẩm Lớp màng sít chặt • Các lớp màng sít chặt, thường oxit, tạo lớp ngăn cách kim loại mơi trường, bảo vệ kim loại nên gọi màng thụ động Ví dụ màng oxit nhơm ngồi khơng khí ẩm, thép C mơi trường kiềm • Ở nhiệt độ cao, điều kiện ăn mịn khơ, cation anion khuếch tán dễ dàng qua lớp màng sít chặt • Lớp màng tăng liên tục với tốc độ với tốc độ ăn mịn • Kim loại M bị oxy hóa “bề mặt kim loại – oxit”, cation e khuếch tán màng oxit • Tại O2 bị khử thành anion O2- khuếch tán đến “bề mặt kim loại – oxit” Xem lớp oxit dung dịch điện ly dây dẫn điện tử Me-) Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào tính chất sản phẩm ăn mịn sinh phép thử gia tốc phịng thí nghiệm thường khơng xác định tính chất ăn mịn kim loại thực tế [2] H Ảnh hưởng sản phẩm ăn mòn Bản chất vật lý sản phẩm ăn mịn ảnh hưởng mạnh đến tốc độ ăn mịn Có ba loại: Hình Điện cực Hydro chuẩn Điện cực hydrơ chuẩn MSHE), quy ước E SHE = V [5] Hình Điện cực Bạc - Bạc Clorua Điện cực BẠC - BẠC CLORUA: Ag | AgCl Mbão hòa), KCI Mbão hòa) AgCl (r) + e ↔Ag + Cl−¿¿ Với điện cực: E = E° -0,059 log[Cl−¿¿ Ở 25°C, ta có: E° = 0,197V với KCI bão hịa, E° = 0,222 V khơng có KCl [3] - Điện cực Ag/AgCl, E Ag / AgCl = 0,222 V so với M E SHE) Có lưu ý nhỏ làm việc với điện cực Ag/AgCl nhiệt độ lên đến khoảng ngàn độ C nên cần cẩn thận làm việc với [5]