Đề Tài Công Nghệ Bảo Vệ Kim Loại Khỏi Ăn Mòn.pdf

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG

o0o

ĐỒÁNNHẬPMÔNKỸTHUẬT HÓAHỌC

Tên đề tài: Công nghệ bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn

Giảng viên hướng dẫn:PGS.TS Lê Thị Thu HằngNhóm chuyên môn:

Nhóm 7:

Nguyễn Thành ĐạtDat.nt230749@sis.hust.edu.vn Nguyễn Doãn Tây ĐôDo.ndt230760@sis.hust.edu.vn

HÀ NỘI, tháng 12 năm 2023

1

LỜI MỞ ĐẦU

Trên thế giới, kim loại được sử dụng cho nhiều lĩnh vực từ công nghiệp, xây dựngđến sản xuất hang hóa, vật tư ngành y tế Kim loại được con người ứng dụng rộng rãibởi các ưu điểm vượt trội của chúng như: khả năng dẫn điện cao, dẫn nhiệt cao, độ bềncao, chịu nhiệu tốt Tuy nhiên, vấn đề nan giải sinh ra khi đưa vào sử dụng kim loại ởcác môi trường khác nhau đó là hiện tượng ăn mòn Sự ăn mòn làm giảm đi tính chấtđặc trưng của kim loại và có thể gây thiệt hại nặng nề về kinh tế

Dựa trên cơ sở kiến thức đã được học trong bộ môn “Nhập môn Kỹ thuật Hóahọc”, nhóm chúng em đã hoàn thành tiểu luận trình bày về đề tài: “Công nghệ bảo vệkim loại khỏi ăn mòn”, bên cạnh đó là lý thuyết tổng quát và một số nội dung liênquan Chúng em đã rất cố gắng tìm hiểu và đóng góp ý kiến nhưng do trình độ và kimnghiệm còn hạn chế nên bản đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, rấtmong được sự góp ý của cô và các bạn để bản đồ án này được hoàn thiện

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Thị Thu Hằng đã hướng dẫnnhóm em hoàn thành bản đồ án này!

Hà Nội, tháng 12 năm2023

2

Mục lục

Lời nói đầu……… 2

I.Ăn mòn kim loại……… 4

1 Định nghĩa ……… 4

2 Phân loại các loại ăn mòn………

43 Tác động của việc ăn mòn kim loại đối với cuộc sống hàng ngày……… 8

II.Các phương pháp bảo vệ kim loại khỏi ănmòn……… 9

1.1 Phương pháp bảo vệ cathodic………

91.2 Phương pháp sử dụng anode hi sinh………

101.3 Phương pháp sử dụng dòng điện cưỡngbức……… 10

2 Phương pháp bảo vệ bằng lớp phủ………

2.1.1 Dầu chống ăn mòn… ………

2.1.4 Sơn nước……… ………

2.2.1 Anod hoá……… …… 13

3

2.2.2 Mạ nhúng nóng………15

điện……….162.2.4 Tráng men………183 Phương pháp thay đổi môi trường………20

3.1 Sử dụng chất ức chế ăn mòn………20

1.Định nghĩa

-Sự ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của cácchất trong môi trường xung quanh Ăn mòn kim loại gồm có hai loại chính là ăn mònhóa học và ăn mòn điện hóa:

- Ăn mòn hóa học: Chính là quá trình oxi hóa khử trong đó các electron của kimloại được chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường.

- Ăn mòn điện hóa: Còn gọi là ăn mòn galvanic, xảy ra khi hai kim loại khác nhautiếp xúc với nhau hoặc thông qua dòng điện, cùng được nhúng trong một dungdịch điện phân, hoặc khi hai kim loại giống nhau cùng tiếp xúc với dung dịch điệnphân có nồng độ khác nhau Trong một cặp kim loại như vậy, kim loại hoạt động hơn(anode) bị ăn mòn với tốc độ nhanh và các kim loại ít hoạt động hơn (cathode) bị ănmòn với tốc độ chậm Khi bị nhúng vào các dung dịch điện li khác nhau, thì tốc độ ănmòn ở mỗi kim loại sẽ khác nhau.

2 Phân loại các loại ăn mòn

4

- Tất cả sự ăn mòn đều không bằng nhau Chìa khóa để ngăn ngừa và giảm thiểu ănmòn hiệu quả nằm ở sự hiểu biết cơ bản về loại ăn mòn đang được xử lý và các yếu tốgây ra sự hình thành của nó Có 10 loại ăn mòn phổ biến sau đây:

+) Ăn mòn đồng nhất (Uniformcorrosion): là loại phổ biến nhất và được

đặc trưng bởi các cuộc tấn công trên toànbộ diện tích bề mặt của kim loại tiếp xúcvới chất ăn mòn Loại ăn mòn này thườngdo các phản ứng hóa học hoặc điện hóagây ra khiến kim loại bị tiêu hao trong khitạo thành oxit hoặc các hợp chất khác trên

các vùng có thể nhìn thấy rộng lớn (Hình

I.1)

+) Ăn mòn điện hoá (Garvanic corrosion): là kết quả của sự hình thành tế bào điệndo sự liên kết điện của các kim loại khác nhau (mỗi kim loại có điện thế khác nhau),tiếp xúc với chất điện phân (Hình I.2) Hình thức này có thể rất nguy hiểm nhưng cũngcó thể là một trong những hình thức dễ phát hiện và ngăn chặn nhất

+) Ăn mòn khe (Crevice corrosion): là

một loại ăn mòn cục bộ có tính xâm nhậpcao xảy ra trong hoặc tiếp giáp trực tiếpvới các khe hở hoặc đường nứt trên bềmặt kim loại (Hình 1.3) cho thấy sự xâmnhập cao của ăn mòn khe Những đườngnứt này có thể là kết quả của sự kết nốigiữa hai bề mặt, hoặc do tích tụ cặn (bụibẩn, bùn, bể sục sinh học).

+) Ăn mòn rỗ (Pitting corrosion): là mộtdạng ăn mòn cục bộ xảy ra khi môi trường5

Hình I.3: Mô phỏng ăn mònkhe xảy ra trên ốc vít

Hình I.2: Ăn mòn điện hoá giữa Cu và Zn trong dung dịch H2SO4

Hình I.1: Ăn mòn đông nhất trênvùng lớn của dộng cơ

Hình I.4: Mô phỏng các lỗ sâu mà ănmòn rỗ để lại trên bề mặt kim loại

ăn mòn tấn công kim loại tại các điểm cụ thể và dẫn đến các lỗ sâu trong kim loại(HìnhI.4).

+) Ăn mòn liên hạt (Inter-granularcorrosion): là một dạng ăn mòn tấn công

các ranh giới hạt trong vật liệu (Hình

I.5) Nó có thể xảy ra do sự kết hợp giữa

các pha khác nhau trong vật liệu và có thểđược ngăn ngừa bằng cách tránh xử lýnhiệt hoặc hợp kim nhạy cảm.

+) Ăn mòn xói mòn (Erosion corrosion):là một loại ăn mòn xảy ra khi kim loại tiếpxúc với sự mài mòn cơ học và môi trường ănmòn cùng một lúc Chất lỏng hoặc khí chảyvới tốc độ cao trong đường ống có thể gây rahiện tượng ăn mòn xói mòn (HìnhI.6) dodòng chảy hỗn loạn trong đường ống Sauđó, sự hỗn loạn làm cho các lớp bảo vệ bềmặt bị mòn hoặc bị hư hỏng, dẫn đến vậtliệu nền tiếp xúc với vận tốc ăn mòn cục bộ rất +) Ăn mòn chọn lọc (Selective leaching): làmột dạng ăn mòn điện hóa Loại ăn mòn nàykhiến một trong những nguyên tố trong hợpkim bị ưu tiên tấn công Sự ăn mòn có thểcục bộ hoặc đồng đều trên toàn bộ bề mặt Vìmột trong các yếu tố đã được loại bỏ có chọnlọc, điều này để lại một vật liệu xốp có độbền cơ học thấp hoặc không có (Hình I.7)

+) Sự ăn mòn do ứng suất (Stresscorrosion cracking): là sự kết hợp giữa lực6

Hình I.5: Ăn mòn liên hạt trên bềmặt kim loại

Hình I.6: Ăn mòn xói mòn trongđường ống nước

Hình I.7: Gang (hợp kim của Fe vàC) bị ăn mòn chọn lọc chỉ còn lớp

than bên ngoài

căng và một sự ăn mòn với kết quả là sự hư hỏn t

hợp cả hai Các vết nứt hình thành từ những sự kết hợp này thì thường khó phát hiện

(Hình I.8) và khi có cơ hội phát triển, chúng có thể dẫn đến những hư hỏng đột ngột và

nặng nề.

+) Ăn mòn do tia cực tím (Solar ultraviolet degradation): là quá trình các polymegốc hữu cơ trải qua các phản ứng quang phân và oxy hóa quang khi tiếp xúc với bứcxạ tia cực tím mặt trời Bức xạ tia cực tím (UV) bao gồm các photon có năng lượngcao so với ánh sáng khả kiến, nên nó có thể gây ra sự suy thoái dưới dạng thay đổi vậtlý và hóa học trong các vật liệu nhạy cảm (Hình I.9).

corrosion): Ở biển, bùn và đất sẽ luôn tồn tại gnhững điều kiện nhất định, chúng có thể tham gia vào quá trình ăn mòn bằngcách kích thích quá trình catốt Các cơ chế đằng sau điều này rất phức tạp và sẽkhông được giải quyết ở đây Ăn mòn vi sinh (vi sinh, kỵ khí, v.v.) được tìm thấytrong các bể chứa dầu, bể dằn, và trên các cấu trúc / vật thể bị chôn vùi trongbùn biển (ví dụ như đường ống).

Hình I.9: Mái nhà khi mới xây và saukhi chịu ảnh hưởng của tia uv trong

thời gian dài

Hình I.10: Ăn mòn trên kim loạido vi sinh vật

3 Tác động của việc ăn mòn kim loại đối với cuộc sống hàng ngày

-Việc ăn mòn kim loại có nhiều tác động đến cuộc sống hàng ngày mà đôi khi

chúng ta không để ý:

Về an toàn: hư hỏng bất ngờ có thể gây ra cháy, nổ, rò rỉ khí độc và sập công

trình gây nguy hiểm tới con người.

Về sức khỏe: ô nhiễm do sản phẩm tạo ra từ thiết bị bị ăn mòn và chất xả thải

để phục hồi kim loại bị ăn mòn.

Gây cạn kiệt các nguồn tài nguyên thiên nhiên: trong đó có các kim loại và

nhiên liệu sử dụng để sản xuất kim loại.

Thẩm mỹ: vật liệu bị ăn mòn

trông mất đi vẻ đẹp ban đầu củangười thiết kế (Hình I.10)

Về kinh tế: giảm tuổi thọ vật liệu

công trình, phải bảo trì sửa chữathường xuyên gây thiệt hại về

kinh tế Hình I.10: Kim loại trước và sau khibị gỉ

Tác động tiêu cực đến cuộc sống con người

4 Các phương pháp chống ăn mòn kim loại

-Vì có rất nhiều tác hại đến cuộc sống hàng ngày nên các nhà khoa học đã tìm ra

các phương pháp ngăn chặn cũng như là làm chậm quá trình ăn mòn kim loại Đólà:

+) Phương pháp bảo vệ điện hoá +) Phương pháp bảo vệ bằng lớp phủ +) Thay đổi môi trường.

8

Để hiểu hơn về các phương pháp bảo vệ kim loại ra sao, tác dụng, giá thành, cũngnhư lợi ich từng biện pháp đem lại chúng ta sẽ đi tìm hiểu sâu hơn vào các phươngpháp bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn.

II.Các phương pháp bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn1.Phương pháp bảo vệ điện hoá

1.1 Phương pháp bảo vệ Cathodic

Bảo vệ Cathodic, một kỹ thuật được sử dụng để kiểm soát sự ăn mòn bề mặt kimloại bằng cách biến nó thành phía catốt của pin điện hóa Phương pháp đơn giảnnhất để áp dụng CP là nối kim loại cần bảo vệ với một kim loại khác dễ bị ăn mònhơn để đóng vai trò là cực dương của tế bào điện hóa.

-Về nguyên tắc, bảo vệ catốt có thể được áp dụng cho bất kỳ cấu trúc kim loại nàotiếp xúc với chất điện phân số lượng lớn mặc dù trên thực tế, công dụng chính củanó là bảo vệ các kết cấu thép được chôn trong đất hoặc ngâm trong nước.

- Hệ thống bảo vệ catốt được sử dụng để bảo vệ nhiều loại cấu trúc kim loại trongcác môi trường khác nhau Các ứng dụng phổ biến nhất bao gồm: Đường ống dẫnnước và nhiêu liệu, bể chứa, tàu thuyền, giàn khoan ngoài biển, vỏ giếng dầu

a) Lịch sử phương pháp bảo vệ Cathode

- Ứng dụng thực tế đầu tiên của bảo vệ ca-tốt thường được cho là do Ngài HumphryDavy, vào thế kỷ 19, người đã cải thiện khả năng chống ăn mòn của tàu mạ đồng trong nước biển bằng cách gắn một lượng nhỏ sắt, kẽm hoặc thiếc.

- Vào thế kỷ 20, đặc biệt là ở Hoa Kỳ, phương pháp này đã được phát triển và đến năm 1945 đã trở thành quy trình tiêu chuẩn để bảo vệ đường ống kim loại khi ngànhcông nghiệp dầu khí mở rộng nhanh chóng.

- Chi phí đặt đường ống kim loại, được xác định bởi thông số kỹ thuật, độ dày thànhống và lắp đặt trong lòng đất, là rất cao Sự xuống cấp của vật liệu đường ống rất

9

tốn kém để khắc phục và tệ nhất có thể dẫn đến hỏng đường ống với những hậu quả khó lường.

- Ngày nay, với thành tích đã được chứng minh trong việc bảo trì đường ống qua nhiều thập kỷ, CP đã có uy tín Nó được sử dụng trên đường ống, các cấu trúc kim loại ngâm hoặc chôn khác và trong bê tông cốt thép để tăng cường khả năng chống ăn mòn Nó cho phép sử dụng các tấm hoặc ống kim loại mỏng hơn, do đó giảm chi phí.

b) Nguyên tắc

- Ăn mòn là hiện tượng kim loại được chiết xuất từ quặng trở lại trạng thái ban đầu khi tiếp xúc với oxy và nước Ví dụ phổ biến nhất là sự rỉ sét của thép Ăn mòn là một quá trình điện hóa, thường xảy ra ở cực dương nhưng không xảy ra ở cực âm.- Nguyên lý bảo vệ catốt là kết nối cực dương bên ngoài với kim loại cần bảo vệ và cho dòng điện một chiều chạy qua giữa chúng để kim loại trở thành catốt và không bị ăn mòn.

Trong một hệ thống đường ống có hai cách để thực hiện việc này:

+) Sử dụng cực dương điện bên ngoài, trong đó dòng điện một chiều phát sinh từ sự chênh lệch tự nhiên về điện thế giữa các kim loại của cực dương (ví dụ Zn, Al hoặc Mg) và đường ống (ví dụ: thép carbon) Cực dương được nối điện với đường ống, gây ra dòng điện dương chạy từ cực dương vào đường ống khiến toàn bộ bề mặt củathép trở nên tích điện âm hơn, tức là cực âm.

+) Sử dụng nguồn điện một chiều bên ngoài (AC được chỉnh lưu) để tạo dòng điện qua cực dương bên ngoài (thường là trơ) lên bề mặt đường ống, trở thành cực âm.

1.2 Phương pháp sử dụng anode hi sinh

+ Dùng kim loại (hợp kim) đứng trước chuỗi điện phân để ngăn cản phản ứng điện hóa xảy ra ở kim loại cần bảo vệ.

+ Ví dụ: để bảo vệ vỏ tàu biển bằng thép, người ta gắn vào vỏ tàu (phần chìm trongnước biển) 1 tấm kẽm Khi tàu hoạt động, tấm kẽm bị ăn mòn dần, vỏ tàu được bảo vệ Sau một thời gian người ta thay tấm kẽm khác.

10

1.3 Phương pháp sử dụng dòng điện cưỡng bứca) Nguyên lí

- Nguyên lý tương tự như trên, nhưng sử dụng dòng điện ngoài có sẵn.b) Ứng dụng:

-Hệ thống bảo vệ catốt được sử dụng phổ biến nhất trong các lĩnh vực như:+ Bảo vệ đường ống thép

+ Bảo vệ bồn chứa nước hoặc bể chứa nhiên liệu+ Bảo vệ cọc trụ thép, tàu

+ Bảo vệ giàn khoan dầu ngoài khơi và vỏ giếng dầu trên bờ.

Trong một số trường hợp, bảo vệ catốt là một phương pháp hiệu quả để ngăn chặn

sự ăn mòn do ứng suất.

2.Phương pháp bảo vệ bằng lớp phủ:2.1 Lớp phủ bằng hữu cơ

-Lớp phủ hữu cơ bảo vệ kim loại là một phương pháp chống ăn mòn bằng cách ápdụng một lớp chất hữu cơ lên bề mặt kim loại Chất này tạo ra một lớp phủ bảo vệ,ngăn chặn tác động của yếu tố môi trường và hóa chất gây ăn mòn Các hợp chấthữu cơ như polymer thường được sử dụng để tạo ra lớp phủ này, giúp bảo vệ kimloại khỏi sự tác động của nước, hóa chất hay khí trung tính

2.1.1 Dầu chống ăn mòn:

-Dầu chống ăn mòn là một loại chất lỏng được sử dụng để bảo vệ kim loại khỏiquá trình ăn mòn Chúng thường chứa các hợp chất hóa học hoặc phụ gia có khảnăng tạo ra một lớp bảo vệ trên bề mặt kim loại, ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếpgiữa kim loại và môi trường ăn mòn.

-Dầu chống ăn mòn có thể được áp dụng thông qua nhiều phương tiện, bao gồmquét, phun, hoặc ngâm kim loại vào dầu Khi lớp dầu này bám dính lên bề mặt kimloại và khô, nó tạo ra một lớp màng bảo vệ, giúp ngăn chặn sự xâm nhập của nước,chất ăn mòn và các yếu tố khác.

-Sự lựa chọn của dầu chống ăn mòn thường phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của11

ứng dụng và môi trường làm việc.

2.1.2Chất chống ăn mòn hữu cơ

-Chất chống ăn mòn hữu cơ là loại chất chống ăn mòn được chế tạo từ các hợpchất hữu cơ, tức là các hợp chất chứa carbon Chúng có khả năng tương tác với bềmặt kim loại để tạo ra một lớp phủ bảo vệ, ngăn chặn quá trình ăn mòn.

-Các chất chống ăn mòn hữu cơ thường có tính chất hóa học đặc biệt giúp chúngtạo ra một màng bảo vệ mỏng, không dễ bong tróc, chống lại tác động của chất ănmòn và môi trường khắc nghiệt Đặc tính này làm cho chúng trở thành lựa chọnphổ biến trong việc bảo vệ kim loại, đặc biệt trong các điều kiện môi trường ănmòn cứng như nước biển hoặc các môi trường công nghiệp.

-Các dạng chất chống ăn mòn hữu cơ có thể bao gồm các dẫn xuất của amin,amide và các hợp chất hữu cơ khác, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng vàmôi trường sử dụng.

2.1.3Sơn tĩnh điện (Powder Coating)

-Sơn tĩnh điện (powder coating) hay còn gọi là (sơn khô, sơn tích điện, sơn bột)vì tính chất khô dạng bột nên khi đi qua thiết bị súng phun sẽ hình thành điện tích(+) và tiếp xúc với bề mặt mang điện tích (-) sẽ tạo nên sự liên kết giữa lớp sơn vàbề mặt Thành phần của bột sơn tĩnh điện bao gồm: hợp chất polymer hữu cơ, bộtmàu và các chất phụ gia Sơn thường đóng rắn bằng nhiệt hoặc tia cực tím, bột cóthể là nhựa nhiệt dẻo hoặc nhựa nhiệt rắn Dây chuyền mạ điện trong công xưởngkhá độc hại nên nhân viên thường mặc đồ bảo hộ khi làm việc (Hình 2.1)

Hình 2.1: Mạ điện trong công xưởng

-Sơn tĩnh điện, như tên gọi của nó, là một quá trình tĩnh điện, theo đó các hạt lớpphủ được tích điện có cực ngược với phần được phủ Sự khác biệt về điện tích làmcho các hạt bột bám vào bề mặt kim loại Vật được phủ sau đó được xử lý nhiệttrong lò để làm cứng lớp phủ.

-Sơn tĩnh điện nổi tiếng về độ bền và vẻ ngoài thẩm mỹ Ngoài ra, vì sơn tĩnhđiện không chứa dung môi nên có rất ít hoặc không phát thải hợp chất hữu cơ dễbay hơi (Volatile Organic Compounds VOC)

13