Chất ức chế ăn mòn là chất được dùng với lượng nhỏ có tác dụng làm giảm tốc độ ăn mòn, thậm chí làm ngừng lại quá trình ăn mòn của kim loại trong môi trường xâm thực [40, 100].
Chất ức chế là những chất hoá học tác dụng với bề mặt kim loại hoặc môi trường xung quanh tạo thành một lớp ngăn cách sự tiếp xúc của môi trường ăn mòn với bề mặt kim loại, do đó làm giảm tốc độ ăn mòn kim loại.
Chất ức chế làm chậm quá trình ăn mòn kim loại bởi [95]:
- Làm tăng phân cực anốt hoặc catốt (tức là tăng độ dốc Tafel).
- Làm giảm quá trình chuyển động hoặc khuếch tán của các ion đến bề mặt kim loại.
14 - Làm tăng điện trở của bề mặt kim loại.
Các chất ức chế ăn mòn đã được sử dụng từ đầu thế kỷ XIX. Thời điểm đó, họ đã sử dụng chất ức chế để bảo vệ kim loại trong quá trình như tẩy gỉ dùng axit, axit hóa giếng dầu và trong hệ thống làm mát. Kể từ những năm 1950 và 1960, các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp điện hóa để đánh giá chất ức chế ăn mòn, đây được coi là những tiến bộ đáng kể trong việc phát triển công nghệ chất ức chế ăn mòn [40].
Có rất nhiều hệ thống công nghiệp trong nhiều lĩnh vực sử dụng các chất ức chế ăn mòn như: hệ thống làm mát, các nhà máy lọc dầu, đường ống dẫn dầu, nhà máy hóa chất, các đơn vị chế biến dầu khí, nồi hơi và xử lý nước, sơn, bột màu, chất bôi trơn, …
Có chất ức chế hoặc hệ chất ức chế có hiệu quả đối với nhiều kim loại và hợp kim. Tuy nhiên, một chất ức chế kim loại này có thể gây ăn mòn kim loại khác do ảnh hưởng của pH, nhiệt độ và các điều kiện khác đối với các kim loại khác nhau là khác nhau. Ngoài ra, người ta còn sử dụng kết hợp các chất ức chế để làm tăng hiệu quả bảo vệ cho kim loại. Ví dụ, sử dụng hệ ức chế cromat/polyphotphat/kẽm cho thép trong môi trường trung tính hay kết hợp urotropin với KI cho thép trong môi trường axit HCl.
Bảng 1.2 thống kê một số chất ức chế hay dùng trong công nghiệp. Bảng 1.3 trình bày một số chất ức chế thường sử dụng cho thép và hiệu quả bảo vệ của chúng trong môi trường axit H2SO4 22%.
Chất ức chế được sử dụng rộng rãi bởi vai trò của chúng trong việc chống ăn mòn kim loại. Điều này có thể thấy rõ theo thống kê năm 2008 về tình hình sử dụng chất ức chế ăn mòn trên thế giới (hình 1.3). Thống kê cho thấy chất ức chế được tiêu thụ nhiều nhất ở Bắc Mỹ, Trung Quốc và Tây Âu [86]. Theo ước tính của các nhà khoa học, nhu cầu sử dụng chất ức chế ăn mòn ở Mỹ tăng hàng năm và đạt 2,5 tỉ đô la trong năm 2017 [40].
Ngày nay, do độc tính cao của một số chất ức chế như cromat, photphat và hợp chất của asen, liên quan đến nhiều vấn đề môi trường và sức khỏe, pháp luật quốc tế đã nghiêm ngặt cấm sử dụng chúng.
15
Bảng 1.2 - Các chất ức chế dùng trong công nghiệp [62]
Chất ức chế Môi trường Kim loại được
bảo vệ
Nồng độ
NaNO3 Nước làm mát Thép 0,05%
50% nước biển Thép 10%
Làm mát động cơ Thép, gang Lên đến 1%
Natri benzoate + Natri nitrit
Hệ trao đổi nhiệt Chì/thiếc và
gang Benzoate : nitrit > 7:1
Natri hydro photphat Nước làm mát Thép 1%
Nồi hơi Thép, đồng, kẽm 10 ppm
Polyphotphat Photphonate
Nước biển (có NaNO2) Thép 10 ppm
Đường chống đóng băng
Borate Hệ làm lạnh động cơ Thép 1%
Hệ làm lạnh glycol Thép 1%
Natri silicate Nước uống Thép, đồng, kẽm 10-20 ppm
Mỏ muối Thép 0,1%
Nước làm mát bằng nước biển
Kẽm 20-40 ppm
Cromate Thiết bị khử muối Thép 5 ppm
Dicromate + photphat Nước biển Thép 5ppm + 50 ppm
Các amin hữu cơ (VD:
octadecylamin diamin,
alkyl pyridine,
imidazoline)
Hơi ngưng tụ trong nồi
hơi Thép Thay đổi
Sản phẩm dầu và lọc dầu
Các hợp chất sunfua hữu cơ (VD: phenyl
thioure, mercaptan,
sulfit)
H2SO4 Thép 0,003-0,1%
Hydrazine Chất tiêu thụ ôxy (nhiệt
độ cao) Thép Theo yêu cầu
Natri sunfit Chất tiêu thụ ôxy (nhiệt
độ thấp) Thép Theo yêu cầu
Tannin
Dung dịch trung tính Dung dịch nước muối
Hầu hết các kim
loại Thay đổi
Natri benzotriazole
16
Bảng 1.3 - Hiệu quả bảo vệ ăn mòn của các chất ức chế cho thép trong dung dịch axit
H2SO4 22% [3]
Tên chất Công thức Nồng độ Hiệu quả bảo vệ
(%) Urotropin (CH2)6N4 1 – 2% 96,7 - 98 Thioure (NH2)2CS 0,005 – 0,01% 96 Pyridin C5H5N 1,5 – 2% 40 Kali iodua KI 0,1 – 2% 65 Benzidin NH2C5H6 9 g/L 87,7
Hình 1.3 - Tình hình sử dụng chất ức chế ăn mòn trên thế giới - năm 2008 [86]
Một vấn đề phức tạp khác là việc sử dụng các axit vô cơ trong một số quá trình công nghiệp để làm sạch và khử cặn ở kim loại, hoặc để axit hóa các giếng khai thác dầu mỏ. Những chất này, ví dụ axit clohyđric, được bơm vào giếng dầu để hỗ trợ quá trình phân hủy các tầng đá và giúp khai thác dầu mỏ dễ dàng hơn. Tất nhiên, sự có mặt của axit sẽ đẩy nhanh quá trình ăn mòn thành giếng và các ống dẫn làm từ thép cacbon. Tuy người ta có thể sử dụng các chất ức chế để kiểm soát quá trình này, nhưng do được sử dụng ở những lượng lớn nên các axit đã được xử lý với chất ức chế không thể được trung hòa rồi thải bỏ một cách đơn giản. Các chất ức chế như
Trung Quốc Bắc Mỹ Tây Âu Nhật Nam Mỹ Châu Phi/ Trung Đông Trung Âu/ Đông Âu Các nước châu Á khác/ Châu Đại Dương
17
photphonat, alkyl và muối amoni bậc 4 là những chất ô nhiễm môi trường và nguy hiểm đối với các hệ sinh học, cần được giảm thiểu sử dụng.
Việc giảm sử dụng những chất ức chế độc hại này đã làm tăng nhu cầu phát triển và sử dụng các chất ức chế không độc khác để cung cấp lượng thiếu hụt trong lĩnh vực sử dụng chất ức chế ăn mòn [40]. Vấn đề đặt ra đối với các nhà khoa học trên toàn thế giới là nghiên cứu làm tăng hiệu quả ức chế, hoặc tìm kiếm các chất ức chế, hệ ức chế mới có hiệu quả và không độc ngày càng được quan tâm. Điều này thể hiện rõ ở số lượng các công trình khoa học đã công bố liên quan đến chất ức chế ăn mòn (bảng 1.4) ngày càng tăng [43].
Bảng 1.4 - Những công bố liên quan đến chất ức chế ăn mòn từ 1950-2010 [43]
Thập niên Số bài báo công bố
1951-1960 29 1961-1970 1235 1971-1980 1711 1981-1990 2685 1991-2000 4819 2001-2010 9873