Các nhà khoa học đã tìm ra rất nhiều hợp chất hoá học có tác dụng ức chế ăn mòn. Dựa trên đặc tính và tác dụng của từng loại chất ức chế, chúng được phân loại theo nhiều cách khác nhau dựa trên tính chất, thành phần, khả năng áp dụng.
Dựa vào tính chất của môi trường ăn mòn, người ta chia ra làm một số loại:
+ Chất ức chế ăn mòn trong môi trường trung tính. + Chất ức chế ăn mòn trong kiềm.
+ Chất ức chế ăn mòn trong môi trường axit. hoặc:
+ Chất ức chế ăn mòn trong môi trường khí.
+ Chất ức chế ăn mòn trong môi trường nước. + Chất ức chế ăn mòn trong môi trường đất.
18
Dựa vào thành phần chất ức chế người ta chia ra làm hai loại: + Chất ức chế ăn mòn vô cơ.
+ Chất ức chế ăn mòn hữu cơ.
Trong thực tế cách phân loại phổ biến nhất hiện nay là theo cơ chế tác dụng của từng loại chất ức chế đối với các quá trình ăn mòn [63].
+ Chất ức chế catốt + Chất ức chế anốt + Chất ức chế hỗn hợp.
Chất ức chế anốt
Chất ức chế anốt là chất làm tăng sự phân cực anốt bởi phản ứng của chúng với các ion kim loại bị ăn mòn tạo ra các sản phẩm hoặc là các muối ít tan che phủ vùng anốt làm giảm tốc độ ăn mòn hoặc là tạo màng thụ động đưa kim loại vào trạng thái thụ động [61, 99].
Có hai dạng chất ức chế ăn mòn thụ động là:
- Anion ôxy hoá như là các muối crômát, nitrate và nitrit, chúng có thể thụ động hoá thép khi không có mặt ôxy.
Những chất ức chế này có hiệu quả ức chế cao và được sử dụng phổ biến. Tuy vậy, những chất ức chế thụ động hoá có thể là nguyên nhân gây ăn mòn lỗ và làm tăng tốc độ ăn mòn nếu nồng độ của nó nhỏ hơn giới hạn tối thiểu. Chẳng hạn như nồng độ tối thiểu của CrO42-, NO2- vào khoảng 10-3 ÷ 10-4 mol/L. Tăng nồng độ ion Cl- sẽ làm cho mật độ dòng tới hạn và mật độ dòng thụ động tăng, do đó nồng độ tối thiểu của chất ức chế gây thụ động sẽ phải lớn hơn [16, 19]. Vì vậy khi sử dụng cần phải có biện pháp phân tích đánh giá hàm lượng chất ức chế. Chất ức chế anốt phổ biến nhất là natri cromat với nồng độ khoảng từ 0,04 - 0,1 %. Trong trường hợp nồng độ ion cromat nhỏ hơn 0,016% thì tốc độ ăn mòn thép sẽ tăng lên.
- Một vài chất có tác dụng gián tiếp như một chất ức chế thụ động, song tác dụng đó chỉ thể hiện khi kết hợp với ôxy có mặt trong dung dịch. Các chất này là
các chất thuộc nhóm kiềm (NaOH, Na2CO3), hoặc là các muối molypdat, phốt phát,
silicat và borat. Chúng có tác dụng ức chế trong các dung dịch gần trung tính có không khí hòa tan. Hoạt tính của chúng phụ thuộc vào sự hình thành các lớp bảo vệ trên bề mặt kim loại [16, 19].
19
Hình 1.4 - Đường phân cực của kim loại khi có chất ức chế anốt
Chất ức chế catốt
Chất ức chế catốt là chất làm giảm tốc độ phản ứng catốt hoặc kết tủa có lựa chọn trên bề mặt catốt làm tăng điện trở bề mặt và hạn chế sự khuếch tán chất khử đến khu vực này. Theo đó chất ức chế catốt có khả năng ức chế ăn mòn theo 3 cơ chế sau đây [39, 61, 99]:
- Làm tăng quá thế catốt: với phản ứng catốt là khử phân cực của hydro. Một vài chất ức chế catốt như những hợp chất của arsen, antimon, bitmut được thêm vào với mục đích hấp phụ hydro trên bề mặt catốt, làm tăng quá thế catốt, do vậy làm phản ứng catốt trở nên khó hơn. Do độ độc hại của các kim loại này, mà các hợp chất hữu cơ có mục đích tương tự đang được phát triển. Các chất ức chế loại này khống chế quá trình thoát khí H2 từ bề mặt thép, nên có thể cho phép nguyên tử hydro khuếch tán vào trong thép gây giòn hydro.
- Kết tủa trên vùng catốt: với phản ứng khử phân cực ôxy.
Một số chất ức chế ăn mòn khác như ion kẽm, magiê kết tủa dưới dạng hydroxit, canxi tạo thành hợp chất cacbonat ít tan trên vùng catốt hình thành màng bảo vệ kim loại.
- Tiêu thụ ôxy: các chất ức chế tiêu thụ ôxy ngăn ngừa sự khử phân cực catốt do ôxy, chất tiêu thụ ôxy dạng này phổ biến nhất là natri sunfit (Na2SO3).
Hình 1.5 là đường cong phân cực của kim loại khi có chất ức chế catốt.
lg (i) E(v)
lgiứcchế lgikhông ức chế
Eứcchế Ekhông ức chế A K K A
20
Hình 1.5 - Đường phân cực của kim loại khi có chất ức chế catốt
Chất ức chế hỗn hợp
Chất ức chế hỗn hợp là chất ức chế mà nó có tác dụng lên cả hai quá trình catốt và anốt, làm giảm tốc độ ăn mòn kim loại (hình 1.6).
Hình 1.6 - Đường phân cực của kim loại khi có chất ức chế hỗn hợp
Chất ức chế hỗn hợp bảo vệ kim loại theo 3 cách: hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học hoặc hình thành màng.
Chất ức chế ăn mòn trong môi trường axit
Sự ăn mòn kim loại trong môi trường axit có thể được ức chế bởi nhiều loại chất khác nhau như các ion halogen, CO và hầu hết là các hợp chất hữu cơ. Thành phần phân tử các hợp chất ức chế hữu cơ thường gồm các nguyên tố nhóm V và VI trong bảng Hệ thống tuần hoàn (VD: C, O, N, S, As, Se,..) và /hoặc gồm các liên kết bội [30, 35, 105, 106]. Cấu trúc phân tử của các chất ức chế hữu cơ thường gồm hai phần:
E(v)
lg(i) lgiứcchế lgikhông ức chế
Ekhông ức chế A K A K E ức chế A A K K Eứcchế= E không ứcchế
Lgiức chế Lgikhôngức chế
E
21
- Phần không phân cực có kích thước lớn do liên kết của các nguyên tử C và
H kị nước.
- Phần phân cực gồm các nhóm chức: SH- (mercapto), -NH2 (amin), OH-
(hiđroxyl), -COOH (cacboxyl)… ưa nước.
Các nhóm phân cực này đính lên bề mặt kim loại ở dạng hấp phụ vật lý hoặc hấp phụ hoá học (có khi là cả hấp phụ vật lý và hóa học) còn phần không phân cực nằm trên bề mặt che phủ các tâm hoạt động của kim loại, vì vậy có tác dụng làm ức chế quá trình ăn mòn kim loại. Các chất ức chế càng có hiệu quả nếu khả năng hấp phụ của chúng lên bề mặt càng lớn và càng bền chặt.
Bảng 1.5 trình bày một số nhóm chức trong chất ức chế hữu cơ.
Bảng 1.5 - Một số nhóm chức trong chất ức chế hữu cơ [99]
Những chất ức chế hữu cơ không thể được chỉ định cụ thể là chất ức chế anốt hay catốt vì chúng thường là các chất ức chế hỗn hợp. Hiệu quả của chất ức chế hữu cơ liên quan đến thể tích mà chúng hấp phụ và che phủ bề mặt kim loại. Sự hấp phụ phụ thuộc cấu trúc của chất ức chế, điện tích bề mặt kim loại và loại dung dịch điện ly. Sự hấp phụ xảy ra là sự tương tác của các electron trong các hợp chất có liên kết , hay của các cặp electron tự do trong các hợp chất có chứa dị tố như nitơ, ôxy, lưu huỳnh với các obitan d trống của kim loại [30, 105].
Để đánh giá cơ chế hấp phụ là vật lý hay hóa học, có nhiều các quá trình khác nhau với các thông số khác nhau được xét đến như: năng lượng hoạt hóa Ea, các phương trình Arrenhius, pH, sự không đồng nhất của bề mặt, các mô hình hấp phụ (Langmuir, Temkin, Frumkin, Frendlich,..), entanpi và một thông số được xét đến nhiều như năng lượng tự do hấp phụ Ghp. Nếu Ghp ít âm hơn -20kJ/mol thì chất
22
hấp phụ đã hấp phụ vật lý, trong khi nếu giá trị này âm hơn -40kJ/mol chỉ ra chất hấp phụ đã hấp phụ hóa học. Nếu Ghp nằm trong khoảng -20 ÷ -40kJ/mol chất hấp phụ có thể hấp phụ vật lý và hóa học lên bề mặt bị hấp phụ [100].