Báo cáo khoa học: "Khảo sát sự ăn mòn và khả năng ức chế ăn mòn của ion CrO42- và HPO42- đối với thép cacbon, trong môi tr-ờng NaCl bằng ph-ơng pháp điện hóa" docx

Khảo sát sự ăn mòn và khả năng ức chế ăn mòn của ion CrO 42- và HPO 42- đối với thép cacbon, trong môi trờng NaCl bằng phơng pháp điện hóa Lại thị hoan Bùi quang tuấn phạm Tiến lâm nguyễn thị mai Bộ môn Hóa Khoa Khoa học Cơ bản Trờng Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Sự ăn mòn của thép CT3 trong môi trờng ăn mòn chứa ion Clo đợc nghiên cứu bằng phơng pháp đo đờng cong phân cực điện hóa. Kết quả chỉ ra rằng ion Clo tác động lớn tới sự ăn mòn của thép CT3. Nó kích thích cả phản ứng anod v phản ứng catod, nhng sự tác động tới phản ứng anod mạnh hơn so với phản ứng catod. Các ion HPO 4 2- v CrO 4 2- có tác động ức chế ăn mòn cho thép CT3 trong dung dịch NaCl 0,1M. Summary: The corrosion of steel CT3 in chloride corrosive environment has been investigated by electrochemical polarization curves method. The result shows that chloride ion affects significantly corrosion of steel CT3. It excites both cathodic and anodic reactions, but its effect on anodic reaction is more obvious than on anodic reaction. HPO 4 2- and CrO 4 2- ions improve the anti-corrosion of steel CT3 in solution of NaCl 0.1M. CT 2 I. đặt vấn đề Do có tính cơ lí tốt, dễ gia công, giá thành rẻ nên đã từ lâu thép nói chung và các loại thép cacbon nói riêng đợc coi là xơng sống cho các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, giao thông vận tải Tuy nhiên, các loại thép cacbon đợc sử dụng trong các công trình nói trên rất dễ bị ăn mòn dới tác động của môi trờng xâm thực đặc biệt là dới tác động của ion clorua. Theo một số công trình đã đợc công bố [2], với khí hậu nhiệt đới biển nh ở nớc ta có sự lắng đọng clo rất lớn nên ảnh hởng của ion clo đến tốc độ ăn mòn kim loại là rất đáng kể. Vì vậy, mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này [2,3] nhng việc nghiên cứu ảnh hởng của ion clorua đến sự ăn mòn thép cacbon nói riêng và kim loại nói chung cũng luôn đợc sự quan tâm, chú ý nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nớc. Nhằm đóng góp vào lĩnh vực này, để lựa chọn sử dụng thép cacbon trong các điều kiện môi trờng cụ thể, trong bài báo này chúng tôi nghiên cứu đánh giá ảnh hởng của ion clorua đến sự ăn mòn thép CT3 bằng phơng pháp phân cực tuyến tính. Trên cơ sở đó chúng tôi đánh giá khả năng ức chế chống ăn mòn đối với thép CT3 trong môi trờng NaCl 0,1M của ion CrO 4 2- và ion HPO 4 2- . II. Thực nghiệm Các phép thí nghiệm đợc thực hiện tại Phòng thí nghiệm Hóa Trờng Đại học Giao thông Vận tải. Trong quá trình thực nghiệm chúng tôi sử dụng các hóa chất: NaCl (PA), Na 2 HPO 4 .12H 2 O (PA), K 2 CrO 4 (PA), nớc cất. Trong các thí nghiệm chúng tôi sử dụng bình đo điện hóa ba điện cực: điện cực làm việc thép CT3 có diện tích bề mặt 0,79cm 2 , xung quanh bọc epoxy, đợc mài bóng, khử mỡ và tẩy gỉ, điện cực đối lới platin, điện cực so sánh Ag/AgCl, KCl. Vật liệu làm điện cực thép CT3 có thành phần: Fe (99,406%), C (0,150%) S (0,037%), Mn (0,420%) và Si ở dạng vết. Các phép đo điện hóa đợc thực hiện trên máy đo điện hóa đa năng ghép nối máy tính PGS Autolab30 của Hà Lan. Các phép đo phân cực đợc thực hiện trong khoảng thế -1,2V đến 0,2V, tốc độ quét thế 5mV.s -1 . Tốc độ ăn mòn đợc tính theo tiêu chuẩn ASTM G 3 - 89 và ASTM G 102 - 89. III. Kết quả v thảo luận 1. ảnh hởng của ion clorua đến tốc độ ăn mòn thép CT3 CT 2 Đo phân cực tuyến tính điện cực thép CT3 trong dung dịch chứa ion clorua với nồng độ khác nhau chúng tôi thu đợc các đờng cong phân cực (hình 1) từ đó xác định đợc tốc độ ăn mòn và thế ăn mòn (bảng 1). 0.0005M E:\tuan an mon1\Cl\16_8a1.icw 0.01M 0.5M -1.15 -0.90 -0.65 -0.40 -0.15 0.10 -9 1x10 -8 1x10 -7 1x10 -6 1x10 -5 1x10 -4 1x10 -3 1x10 -2 1x10 -1 1x10 0 1x10 E- V i-A/cm2 Hình 1. Đờng cong phân cực của thép CT3 trong dung dịch chứa ion clorua ở các nồng độ khác nhau. -1000 -900 -800 -700 -600 012345 log(1/C) Corrosion Potential (mV) 0.E+00 2.E-05 4.E-05 6.E-05 8.E-05 1.E-04 1.E-04 Corrosion current density (A/cm2) Potential Current Hình 2. Sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn v thế ăn mòn vo nồng độ ion clorua Hình 2, bảng 1 cho thấy thấy ion clorua ảnh hởng đáng kể đến tốc độ ăn mòn thép CT3. Đờng phân cực hình 1 cho thấy ion clorua có tác dụng kích thích cả quá trình catôt và quá trình anôt, tuy nhiên ảnh hởng của ion clorua đến quá trình anôt mạnh hơn, điều này cũng lí giải cho sự tăng của thế ăn mòn về giá trị dơng hơn khi giảm nồng độ ion clorua (hình 2). Bảng 1. Tốc độ ăn mòn, thế ăn mòn của thép CT3 trong dung dịch NaCl STT 1 2 3 4 5 6 7 8 C(M) 0,5 0,1 0,05 0,01 0,005 0,001 0,0005 0,0001 Mật độ dòng ăn mòn (i.10 5 A/cm2) 10,8 7,84 4,12 3,00 2,79 1,92 1,58 1,25 Thế ăn mòn (mV) -895 -855 -866 -855 -839 -780 -752 -720 Tốc độ ăn mòn (mm/năm) 1,27 0,92 0,48 0,35 0,33 0,23 0,19 0,15 Để thấy rõ hơn ảnh hởng của ion clorua đến tốc độ ăn mòn thép CT3 trong điều kiện tự nhiên chúng tôi xác định tốc độ ăn mòn của thép CT3 trong môi trờng nớc biển Đà Nẵng ở các độ pha loãng khác nhau (mô phỏng cho sự xâm thực của nớc biển). Qua các phép thử nghiệm, chúng tôi cũng thu đợc kết quả tơng tự nh khi giảm nồng độ ion clorua (xem hình 3, 4; bảng 2). Hình 3. Đờng phân cực thép CT3 trong nớc biển ở các độ pha loãng khác nhau. -1000 -900 -800 -700 -600 00.511.522.53 log(1/C) Corrosion potential (mV) 0.E+00 2.E-05 4.E-05 6.E-05 8.E-05 1.E-04 1.E-04 1.E-04 2.E-04 Corrosion current density (A/cm2) potential current Hình 4. Sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn v thế ăn mòn vo độ pha loãng. (1) (5) (9) -1.21 -0.96 -0.71 -0.46 -0.21 -9 1x10 -8 1x10 -7 1x10 -6 1x10 -5 1x10 -4 1x10 -3 1x10 -2 1x10 - 1 1x10 E-V i - A/ cm 2 CT 2 Bảng 2. Mật độ dòng ăn mòn, thế ăn mòn, tốc độ ăn mòn của thép CT3 trong nớc biển Đ Nẵng STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Độ pha loãng (lần) 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 Mật độ dòng ăn mòn(i.10 5 A/cm2) 14,10 7,18 5,30 4,19 4,02 2,18 1,40 1,07 0,70 0,71 Thế ăn mòn (mV) -855 -863 -855 -853 -752 -750 -730 -716 -664 -645 Tốc độ ăn mòn (mm/năm) 1,65 0,83 0,62 0,49 0,47 0,26 0,17 0,13 0,08 0,083 Các kết quả thực nghiệm trên cho thấy ion clorua có ảnh hởng rất lớn đến tốc độ ăn mòn thép CT3. Theo [4] thép CT3 không bền ăn mòn trong môi trờng NaCl nồng độ lớn hơn 10 -4 M (tốc độ ăn mòn >0,15mm/năm). 2. Khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 trong dung dịch NaCl 0.1M của ion HPO 4 2- Trên cơ sở đo phân cực điện cực thép CT3 trong dung dịch NaCl 0,1M có mặt Na 2 HPO 4 với những nồng độ khác nhau, cho phép chúng tôi đánh giá ảnh hởng của ion HPO 4 2- đến sự ăn mòn thép. Các kết quả thu đợc trình bày trong bảng 3. NaCl 0.1M NaCl + HPO4 1E-3 -1.25 -1.00 -0.75 -0.50 -0.25 0 0.25 -8 1.0x10 -7 1.0x10 -6 1.0x10 -5 1.0x10 -4 1.0x10 -3 1.0x10 -2 1.0x10 -1 1.0x10 0 1.0x10 E / V i / A Hình 5. Đờng phân cực thép CT3 trong dung dịch NaCl 0,1M có v không có ion HPO 4 2- . 0 20 40 60 80 100 0123456 log(1/C) Z(%) -1200 -1100 -1000 -900 -800 -700 Corrosion Potential (mV) Z(%) Corrosion p otential Hình 6. ảnh hởng của nồng độ ion HPO 4 2- đến hiệu quả bảo vệ, thế ăn mòn. Hiệu quả bảo vệ (Z) đợc tính theo công thức (*) %. i ii Z o o 100 = (*) trong đó: i là mật độ dòng ăn mòn thép CT3 trong dung dịch NaCl 0,1M có mặt chất ức chế i o là mật độ dòng ăn mòn thép CT3 trong dung dịch NaCl 0,1M. Bảng 3. Tốc độ ăn mòn, thế ăn mòn v hiệu quả bảo vệ của ion HPO 4 2- đối với sự ăn mòn thép CT3 trong dung dịch NaCl 0,1M STT 1 2 4 5 6 7 8 C(M) 0 1x10 -1 1x10 -2 1x10 -3 1x10 -4 1x10 -5 5x10 -6 Mật độ dòng ăn mòn (i.10 5 A/cm2) 7,84 6,87 5,88 5,50 5,44 5,95 6,49 Thế ăn mòn(mV) -855 -899 -894 -898 -882 -896 -893 Tốc độ ăn mòn (mm/năm) 0,921 0,808 0,691 0,646 0,639 0,699 0,762 Z(%) 0,00 12,37 25,00 29,85 30,61 24,11 17,22 CT 2 Bảng 3 và hình 6 cho thấy, ion HPO 4 2- có tác dụng ức chế sự ăn mòn thép CT3 trong dung dịch NaCl 0,1M. Đờng phân cực hình 5 cho thấy ion HPO 4 2- có tác dụng ức chế phản ứng catôt mạnh hơn phản ứng atôt. Kết quả này giải thích cho sự giảm thế ăn mòn thép CT3 khi có mặt ion HPO 4 2- trong dung dịch NaCl 0,1M so với khi không có mặt nó. 3. Khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 tron dung dịch NaCl 0,1M của ion CrO 4 2- Để khảo sát ảnh hởng của ion CrO 4 2- chúng tôi đo phân cực điện cực thép CT3 trong dung dịch NaCl 0,1M có mặt ion CrO 4 2- ở những nồng độ khác nhau. Các kết quả đợc trình bày trong bảng 4. NaCl 0.1M + CrO4 E-3M NaCl 0.1M -1.25 -1.00 -0.75 -0.50 -0.25 0 0.25 -8 1x10 -7 1x10 -6 1x10 -5 1x10 -4 1x10 -3 1x10 -2 1x10 -1 1x10 0 1x10 E- V i-A/cm2 Hình 7. Đờng phân cực điện cực thép CT3 trong dungdịch NaCl 0,1M có v không có mặt ion CrO 4 2- . -1200 -1100 -1000 -900 -800 -700 01234567 log(1/C) Corosion potential (mV) 0 20 40 60 80 100 Z(%) Potential Z (%) Hình 6. ảnh hởng của nồng độ ion CrO 4 2- đến hiệu quả bảo vệ v thế ăn mòn. Bảng 4 và hình 6 cho thấy ion CrO 4 2- có tác dụng ức chế đối với sự ăn mòn thép CT3 trong dung dịch NaCl 0,1M. Đờng phân cực hình 7 cho thấy ion CrO 4 2- có tác dụng ức chế phản ứng catôt mạnh hơn phản ứng anôt, điều này cũng thấy đợc thông qua sự giảm thế ăn mòn của thép CT3 trong NaCl 0,1M khi có mặt ion CrO 4 2- (xem bảng 4) Bảng 4. Tốc độ ăn mòn, thế ăn mòn v hiệu quả bảo vệ của ion CrO 4 2- đối với sự ăn mòn thép CT3 trong dung dịch NaCl 0,1M STT 0 1 2 3 5 7 9 10 C(M) 0 1x10 -1 5x10 -2 1x10 -2 1x10 -3 1x10 -4 1x10 -5 1x10 -6 Mật độ dòng ăn mòn (i.10 5 A/cm2) 7,98 7,51 7,01 5,09 4,57 4,93 5,14 5,04 Thế ăn mòn (mV) -840 -876 -867 -857 -882 -890 -908 -900 Tốc độ ăn mòn (mm/năm) 0,93 0,92 0,91 0,60 0,54 0,58 0,60 0,59 Z(%) 0,00 5,89 12,16 36,17 42,73 38,22 35,59 36,84 CT 2 Theo các kết quả đã công bố [7] các ion CrO 4 2- và ion HPO 4 2- có hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn đối với thép trong dung dịch Na 2 SO 4 .Tuy vậy, từ các kết quả trên chúng tôi nhận thấy trong dung dịch NaCl 0,1M, và môi trờng xâm thực có ion Ci - nh nớc biển, việc sử dụng các ion CrO 4 2- và HPO 4 2- làm chất ức chế chống ăn mòn thép CT3 không mang lại hiệu quả mong muốn. IV. Kết luận 1. Ion clorua có ảnh hởng rất lớn đến tốc độ ăn mòn thép CT3: Trong dung dịch NaCl có nồng nồng độ lớn hơn 10 -4 M thép CT3 không bền ăn mòn. 2. Ion HPO 4 2- và ion CrO 4 2- có tác dụng ức chế ăn mòn thép CT3 trong dung dịch NaCl 0,1M và trong nớc biển. Tác dụng chủ yếu của các ion trên là ức chế phản ứng catôt. 3. Hiệu quả bảo vệ ăn mòn thép CT3 trong dung dịch NaCl 0,1M và trong nớc biển của ion CrO 4 2- (42%) và ion HPO 4 2- (30%) không cao. Bài báo đợc hoàn thành dới sự tài trợ của đề tài cấp Trờng mã số: T2007-CB-55,56. Tài liệu tham khảo [1]. Đo Quang Liêm, Nguyễn Văn Tam, Trịnh Xuân Sén, Phạm Bá Đức (2006), Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn của các hợp chất ancolamin và kali iodua đối với thép CT3 trong môi trờng axit HCl, Tạp chí hóa học, T.44(4), tr. 475-479. CT 2 [2]. Lê Quang Tuấn, Phạm Thị Thu, Nguyễn Xuân Trờng, Nguyễn Đức Hùng, ảnh hởng của khí quyển nông thôn, biển, đô thị Việt Nam đến ăn mòn thép CT3, Tuyển tập các công trình khoa học hội nghị toàn quốc điện hóa và ứng dụng, Hà Nội, 2006. [3]. Nguyễn Thị Phơng Thoa, Nguyễn Thái Hong, áp dụng phơng pháp tổng trở nghiên cứu ảnh hởng của ion sulfate lên tính chất ăn mòn thép trong nớc biển, Tuyển tập báo cáo toàn văn Hội nghị điện hóa và ứng dụng, Hà Nội, 2001. [4]. Alanin Galerie, Nguyễn Văn T, ăn mòn và bảo vệ vật liệu, NXB KHKT, 2002 [5]. Ismaeel Andijani, AC impedance study on the corrosion behavior of carbon steel in deaerated chloride solution, 6th Saudi Engineering Conference, KFUPM, Dhahran, Saudi Arabia on 14-17 Dec, 2002. [6]. V.I.Pokhmurskyi, I.M.Zin, S.B.Lyon, M.C.simmonds (2004), Inhibiton of steel and galvanised steel corrosion by zinc and calcium ions in presence of phosphate, Corrosion engineering, science and technology, Vol.39. No.2,p167-173. [7]. Poe (1977), , . Ă . Khảo sát sự ăn mòn và khả năng ức chế ăn mòn của ion CrO 42- và HPO 42- đối với thép cacbon, trong môi trờng NaCl bằng phơng pháp điện hóa Lại thị hoan Bùi. tốc độ ăn mòn thép CT3. Theo [4] thép CT3 không bền ăn mòn trong môi trờng NaCl nồng độ lớn hơn 10 -4 M (tốc độ ăn mòn >0,15mm/năm). 2. Khả năng ức chế ăn mòn thép CT3 trong dung dịch NaCl. dịch NaCl 0,1M có mặt chất ức chế i o là mật độ dòng ăn mòn thép CT3 trong dung dịch NaCl 0,1M. Bảng 3. Tốc độ ăn mòn, thế ăn mòn v hiệu quả bảo vệ của ion HPO 4 2- đối với sự ăn mòn thép