Nội dung này được thực hiện với thép trong dung dịch axit HCl 0,5N; 1N và 2N với 3 g/L TDC (đây là nồng độ tối ưu đối với thép trong axit HCl 1N) bằng phương pháp đo tổn hao khối lượng, đường cong phân cực, phổ tổng trở điện hóa, phân cực tuyến tính và kính hiển vi điện tử quét SEM.
Kết quả đo tổn hao khối lượng
Bảng 3.5 trình bày ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến tốc độ ăn mòn thép và hiệu quả ức chế của TDC đối với thép.
Bảng 3.5 - Ảnh hưởng của nồng độ axit đến tốc độ ăn mòn và hiệu quả ức chế của TDC đối với thép Dung dịch CTDC (g/L) Wcorr (mg/cm2.h) Hw (%) HCl 0,5 N 0 0,3041 - 3 0,0610 79,9 HCl 1N 0 0,3098 - 3 0,0570 81,6 HCl 2N 0 0,4894 - 3 0,1047 78,6
78
Trong dung dịch axit trống, tốc độ ăn mòn tăng khi tăng nồng độ axit từ 0,5N đến
1N rồi 2N, tương ứng là 0,3041; 0,3098 và 0,4894 mg/cm2.h. Tuy nhiên, khi có mặt
3 g/L TDC, giá trị này đạt nhỏ nhất là 0,057 mg/cm2.h ứng với nồng độ axit là 1N. Hiệu quả ức chế Hw tính toán được cho thấy có giá trị lớn nhất khi axit là 1N và nhỏ nhất khi axit có nồng độ 2N, tuy nhiên sự chênh lệch này không nhiều, chỉ 2-3%.
Kết quả đo điện hóa
Hình 3.17 là đồ thị đường cong phân cực của thép trong các axit HCl nồng độ
khác nhau khi không có và khi có 3 g/L TDC.
Hình 3.17 - Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến đường cong phân cực của thép trong dung dịch axit có và không có 3 g/L TDC
Đồ thị hình 3.17 cho thấy, khi nồng độ axit tăng, đường cong phân cực của thép trong axit HCl dịch chuyển về phía mật độ dòng lớn hơn, hay dòng ăn mòn tăng khi tăng của nồng độ axit. Với dung dịch axit HCl có TDC, sự dịch chuyển của đường cong phân cực thép về phía mật độ dòng lớn hơn lại sắp xếp theo thứ tự: trong axit HCl 1N; 0,5N rồi 2N. Bảng 3.6 cho biết ảnh hưởng của nồng độ axit đến các thông số điện hóa của thép được phân tích bằng phương pháp ngoại suy Tafel từ đường cong phân cực 3.17.
Điện thế ăn mòn thép Ec trong HCl thay đổi không đáng kể (cỡ 10-20mV) trong
khoảng nồng độ axit 0,5-2N. Mật độ dòng ăn mòn ic tăng hay điện trở phân cực Rp
giảm khi nồng độ axit tăng. Khi có mặt TDC trong các axit nồng độ khác nhau, dòng ăn mòn thép đều nhỏ hơn rất nhiều so với trong axit không có ức chế. Hiệu quả ức chế được tính toán từ dòng ăn mòn Hi và từ điện trở phân cực HRp đạt xấp xỉ
79
80% ứng với axit HCl 0,5N và 2N. Tuy nhiên, giá trị này đạt được trên 90% khi nồng độ axit là 1N.
Bảng 3.6 - Ảnh hưởng của nồng độ axit đến các thông số điện hóa của thép trong dung dịch axit trống và dung dịch có 3 g/L TDC
Giá trị hệ số Tafel anốt ba và catốt bc trong các axit HCl thay đổi không đáng kể, do đó cơ chế ăn mòn thép không thay đổi khi nồng độ axit tăng từ 0,5N đến 2N. Khi axit có thêm TDC, hệ số ba tăng khoảng 30mV/dec, trong khi đó bc giảm cỡ 10- 30mV/dec so với trong các axit trống tương ứng. Kết quả này chứng tỏ, TDC đã làm ảnh hưởng đến cả hai nhánh của đường cong phân cực thép trong axit HCl.
Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến phổ tổng trở điện hóa của thép trong các dung dịch nghiên cứu được đưa ra trên hình 3.18. Bảng 3.7 trình bày các thông số điện hóa được mô phỏng từ phổ tổng trở hình 3.18 theo sơ đồ tương đương hình 3.5.
Trong dung dịch axit HCl, khi tăng nồng độ axit từ 0,5N đến 1N và 2N, điện trở
chuyển điện tích giảm từ 149 đến 80 và 40 Ω.cm2, tức là khả năng thép bị ăn mòn
tăng lên. Điện trở chuyển điện tích Rct trong các axit HCl có thêm TDC đều lớn hơn rất nhiều so với Rct trong các axit trống tương ứng. Rct cao nhất là 980 Ω.cm2 trong axit 1N và thấp nhất là 229 Ω.cm2 trong axit 2N. Hiệu quả ức chế HRct (tính theo (2.4)) đều đạt trên 82% khi nồng độ axit là 0,5 và 2N. Giá trị này cũng đạt cao nhất khi nồng độ axit HCl là 1N (>90%). CHCl CTDC (g/L) Ec (mV.vs Ag/AgCl) ic (µA/cm2) Rp (Ω.cm2) ba (mV/dec) bc (mV/dec) Hi (%) HRp (%) 0,5N 0 -428,41 73,76 255,67 82,37 91,85 - - 3 -419,13 17,20 1169,30 103,96 83,51 76,7 78,1 1N 0 -429,24 125,12 133,41 73,88 80,12 - - 3 -411,71 9,86 1705,05 100,01 63,16 92,1 92,2 2N 0 -406,85 164,66 103,68 67,41 94,30 - - 3 -410,72 37,90 450,35 100,85 64,40 77,0 77,0
80
Hình 3.18 - Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến phổ tổng trở của thép không dung dịch axit và axit có 3 g/L TDC
Bảng 3.7 - Các thông số điện hóa được mô phỏng từ phổ EIS của thép trong các axit với nồng độ khác nhau Dung dịch CTDC (g/L) Rdd (Ω.cm2) Rct (Ω.cm2) Yo (µF) n Cdl (µF/cm2) HRct (%) HCl 0,5N 0 1,1 149 76,7 0,859 82,50 3 1,1 925 29,3 0,868 37,66 83,9 HCl 1N 0 0,7 80 56,1 0,911 70,79 3 0,6 980 19,2 0,865 23,05 91,8 HCl 2N 0 0,4 40 94,7 0,917 121,74 3 0,4 229 32,2 0,890 38,31 82,5
Đồ thị so sánh ảnh hưởng của nồng độ axit đến hiệu quả ức chế theo 3 phương pháp (hình 3.19) cho thấy, hiệu quả ức chế đều đạt khoảng 80% khi nồng độ axit là 0,5N và 2N và đạt cao nhất (khoảng 90%) với axit 1N. Hiệu quả ức chế thấp hơn trong các dung dịch HCl 0,5N và 2N có thể giải thích như sau: nghiên cứu này được thực hiện với các axit có 3 g/L TDC (- là nồng độ ức chế tối ưu trong axit HCl 1N). Trong dung dịch axit nồng độ nhỏ hơn 1N (0,5N), nồng độ TDC tối ưu có thể thấp hơn 3 g/L, vì vậy lượng TDC còn lại có thể hấp phụ lên bề mặt kim loại tạo thành những vị trí có lớp hấp phụ khá dày. Tại các vị trí này, màng hấp phụ có thể bị bong
81
tróc một phần, làm tăng tốc độ ăn mòn ở những phần bề mặt bị bong, do đó làm giảm hiệu quả ức chế. Trong dung dịch axit nồng độ 2N chứa 3 g/L TDC, lượng TDC có thể chưa đủ nồng độ tối ưu, làm giảm một phần hiệu quả ức chế. Kết quả tính toán đều chung quy luật và có sự phù hợp giữa các phương pháp nghiên cứu. Như vậy, TDC có tác dụng ức chế hiệu quả cho thép trong môi trường axit HCl có nồng độ trong khoảng 0,5÷2N.
Hình 3.19 - Hiệu quả ức chế theo nồng độ axit được tính từ ba phương pháp
Ngoài các phương pháp điện hóa và tổn hao khối lượng, ảnh hưởng của nồng độ axit còn được đánh giá qua ảnh SEM. Kết quả như trong hình 3.20.
Ảnh SEM cho thấy: các mẫu thép trong các axit HCl nồng độ khác nhau (3.20b)
bị ăn mòn lỗ mạnh. Mức độ ăn mòn lỗ, số lỗ tăng khi nồng độ axit tăng.
Mẫu thép thử nghiệm trong axit HCl chứa 3 g/L TDC (3.20c) có bề mặt thép nhẵn hơn rất nhiều, số lượng lỗ và kích thước lỗ cũng nhỏ hơn rất nhiều so với các mẫu thử nghiệm trong các axit HCl không có ức chế tương ứng. Khi nồng độ axit tăng, bề mặt thép xuất hiện số lỗ nhiều hơn, tuy nhiên, số lỗ tăng không đáng kể ở dung dịch có thêm TDC. Điều này cho thấy, TDC có tác dụng ức chế sự ăn mòn lỗ của thép trong dung dịch axit HCl và tác dụng khá hiệu quả trong khoảng nồng độ axit từ 0,5N đến 2N.
Qua nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn thép trong axit HCl bởi TDC cho thấy: TDC đóng vai trò là chất ức chế hỗn hợp, có khả năng ức chế ăn mòn cho thép tốt, nồng độ tối ưu là 3 g/L. Tác dụng ức chế ăn mòn của TDC ổn định trong khoảng thời gian, nhiệt độ và nồng độ axit khảo sát. TDC có tác dụng ức chế hiệu quả đối với quá trình ăn mòn lỗ của thép trong axit HCl. Các phương pháp
82
nghiên cứu: tổn hao khối lượng, điện hóa và ảnh SEM cho kết quả có sự phù hợp với nhau.
Hình 3.20 - Ảnh SEM bề mặt mẫu thép trước thí nghiệm (a), thép trong axit HCl (b) và
thép trong axit HCl có 3 g/L TDC (c) sau 1h ngâm mẫu ở 25oC
3.3. Tính toán các thông số nhiệt động học, hấp phụ và đề xuất cơ chế ức chế của TDC đối với quá trình ăn mòn thép trong môi trường