6. Cấu trúc luận văn
1.4.7. Ăn mòn thép trong nước sông và nước biển
a. Thành phần của nước sông và nước biển
Nước sông và nước biển là những dung dịch chất điện li. Trong nước biển có tất nhiều loại muối hòa tan như trong Bảng 1.1
Bảng 1.1. Thành phần các muối hòa tan trong nước biển [25]
Muối Thành phần (%) Muối Thành phần (%)
NaCl 77,8 K2SO4 2.5
MgCl2 10,9 CaCO3 0,3
MgSO4 4,7 MgBr2 0,2
CaSO4 3,6
Độ dẫn điện của nước biển rất cao, hàm lượng Cl- khá lớn. Vì vậy, quá trình ăn mòn xảy ra trong nước biển rất mãnh liệt. Sắt, gang, thép không có khả năng thụ động trong nước biển [25], [27].
b. Sơ lược về thép CT3
Thép CT3 thuộc nhóm thép chất lượng thường, C là Cacbon, T là thép, “3” là giới hạn bền chịu kéo tối thiểu (kg/mm2) [36].
Bảng 1.2. Thành phần (%) các nguyên tố trong thép CT3
Thành phần Fe C Mn Si P S Ni Cu
% 98,88 0,06 0,25 0,12 0,04 0,05 0,3 0,3
Thép CT3 ngoài thành phần chính là hợp kim sắt – cacbon còn chứa 1 lượng nhỏ các nguyên tố như: Mn, P, Si, S, các nguyên tố này được coi là tạp chất thường, trong đó Mn, Si làm tăng cơ tính của thép, P và S (≤ 0,13%) làm cho thép dòn và khó hàn. Ngoài ra còn có 1 lượng nhỏ các nguyên tố Cr, Ni, Cu (≤ 0,02%) gọi là hợp chất ngẫu nhiên nâng cao cơ tính của thép [36].
c. Ăn mòn thép trong nước
Trong không khí ẩm cũng như trong môi trường nước luôn hòa tan khí O2 và khí CO2 trong khí quyển tạo thành một dung dịch chất điện li. Sắt và các tạp chất (chủ yếu là C) cùng tiếp xúc với dung dịch đó tạo nên vô số pin rất nhỏ mà sắt là anôt và cacbon là catôt [25].
Tại vùng catôt có các phản ứng xảy ra như sau: 2H2O + O2 + 4e ⇔ 4OH- 𝜑𝑂𝑐𝑏2/2𝑂𝐻− = 𝜑𝑂02/2𝑂𝐻− + 0,059 4 lg [𝑂𝐻𝑃𝑂2−]4 Với pH = 7, 𝑃𝑂2= 0,2atm, T= 298K thì 𝜑𝑂𝑐𝑏2/2𝑂𝐻−= 0,81V 2H2O + 2e ⇔ H2 + 2OH- 𝜑𝐻𝑐𝑏2/2𝐻+ = 𝜑𝐻02/2𝐻+ + 0,059 2 lg 1 𝑝𝐻2[𝑂𝐻−]2 Với pH = 7, 𝑃𝐻2= 1atm, T= 298K, ta có: 𝜑𝐻02/2𝐻+= 0,413V Tại vùng anôt có phản ứng sau xảy ra:
Fe ⇔ Fe2+ + 2e 𝜑𝐹𝑒0 2+/𝐹𝑒= - 0,44V
Vậy, thép dễ bị ăn mòn trong nước ở điều kiện thường [9], [25].
Các cation Fe2+ di chuyển từ vùng anôt qua dung dịch điện li đến vùng catôt. Ở đó, nó kết hợp với ion OH- để tạo thành sắt (II) hidroxit. Sắt (II) hidroxit lại tiếp tục bị oxi hóa thành sắt (III) tạo rỉ sắt màu đỏ nâu.
Thật ra, rỉ sắt là hợp chất hidrat của sắt (III) oxit và hidroxit có thành phần nước không xác định mà phụ thuộc vào môi trường tạo ra nó.
Phản ứng tạo rỉ sắt có thể viết như sau:
2Fe(r) + 3/2 O2 + xH2O(l) → Fe2O3.xH2O(r)
rỉ sắt
Trong môi trường axit, tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào những phản ứng ở catôt: 2H2O + O2 + 4e ⇔ 4OH-
2H2O + 2e ⇔ H2 + 2OH-
Ở pH thấp thì phản ứng (2) xảy ra nhanh nên tốc độ ăn mòn lớn.
Trong tự nhiên, nước sông và nước biển có tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào phần lớn lượng oxi hòa tan, lượng Cl-, Br-… trong nước [25].