3/25/2020
HỌC PHẦN CH5307
PGS. TS. Hoàng Thị Bích Thủy
Bộ môn CN Điện hóa và BVKL, Viện Kỹ thuật Hóa học
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
ĐT: 024-38680122, 0912573910
Email: thuy.hoangthibich1@hust.edu.vn
DECP-HUST
1
1
ĂN MÒN ĐIỆN HÓA
1. Khái niệm
AMĐH là quá trình tự phá hủy kim loại (hợp kim) có
kèm theo sự thay đổi tính chất hóa lý của kim loại
(hợp kim) khi kim loại (hợp kim) tác dụng với môi
trường điện ly xung quanh.
•
Ví dụ: sự gỉ vỏ tàu thủy, gỉ kim loại trong khí
quyển,…
•
Ăn mòn điện hóa luôn kèm theo sự xuất hiện dòng
điện do sự không đồng đều về điện thế trên các
phần bề mặt kim loại.
•
Tốc độ ăn mòn điện hóa phụ thuộc điện thế điện
cực.
DECP-HUST
2
2
1
3/25/2020
* Điện thế điện cực:
• Nhúng 1 thanh kim loại vào dung dịch điện ly → Hình
thành lớp điện tích kép, xuất hiện bước nhảy điện thế
giữa bề mặt kim loại và dung dịch.
• Nguyên nhân xuất hiện bước nhảy điện thế:
- Sự chuyển cấu tử tích điện từ kim loại vào dung
dịch hoặc ngược lại.
- Sự hấp phụ có lựa chọn trên bề mặt kim loại (hấp
phụ Cl-, H2O,…).
• Giá trị điện thế điện cực được tính so với 1 điện cực so
sánh chuẩn (NHE, SCE,…).
DECP-HUST
3
3
Mô hình lớp kép không có hấp phụ đặc biệt
DECP-HUST
4
4
2
3/25/2020
Điện thế điện cực tiêu chuẩn
DECP-HUST
5
5
2. Điều kiện nhiệt động để xảy ra ăn mòn điện hóa
GT < 0
Đối với phản ứng điện hóa:
GT = -nFE = -nF(Ekcb – Eacb)
Ekcb > Eacb
Ăn mòn điện hóa xảy ra khi có sự chênh lệch điện thế
giữa các vị trí trên bề mặt kim loại:
- Anốt (-)
- Catốt (+)
Pin Ăn mòn
DECP-HUST
6
6
3
3/25/2020
Pin ăn mòn điện hóa: 4 thành phần
- Anốt
- Catốt
- Dung dịch điện ly
- Nối điện anốt – catốt
Phải có đủ 4 thành phần để tạo thành pin ăn mòn
Pin ăn mòn điện hóa
DECP-HUST
7
DECP-HUST
8
7
8
4
3/25/2020
-
Phản ứng anốt:
Fe Fe2+ + 2eAl Al3+ + 3eCu Cu2+ + 2e-
-
Phản ứng catốt:
Môi trường axit:
2H+ + 2e- H2
Môi trường trung tính, kiềm:
O2 + 4e- + H2O 4OH-
DECP-HUST
9
9
Các nguyên nhân tạo ra pin ăn mòn:
-
Chất điện ly có độ dẫn thấp
Có sự tiếp xúc của 2 kim loại
Có sự chênh lệch nồng độ ô xy
Ảnh hưởng của vi sinh vật
Có sự chênh lệch nhiệt độ
Có dòng điện rò
Tác động của dòng chảy
Thành phần hợp kim bề mặt không đồng nhất
DECP-HUST
10
10
5
3/25/2020
3. Các phương pháp bảo vệ kim loại khỏi AMĐH
• Lựa chọn vật liệu bền ăn mòn
• Thiết kế hợp lý
• Thay đổi môi trường
• Sơn phủ
• Bảo vệ điện hóa
DECP-HUST
11
11
3.1. Lựa chọn vật liệu bền ăn mòn
• Yêu cầu đối với vật liệu:
• Tính chất (ăn mòn, cơ học, vật lý, bề mặt)
• Tính dễ chế tạo (tính dẻo, tính hàn…)
• Tương thích với thiết bị (lỏng) hiện có
• Khả năng duy trì
• Độ che phủ cần thiết
• Độ sẵn có dữ liệu cho thiết kế
• Kinh nghiệm đã có với vật liệu tương tự
DECP-HUST
12
12
6
3/25/2020
• Xem xét lựa chọn vật liệu:
• Tuổi thọ của thiết bị, kết cấu
• Đánh giá tuổi thọ của vật liệu
• Độ tin cậy (tính an toàn, thiệt hại kinh tế nếu xảy
ra hư hỏng)
• Tính sẵn có và thời gian giao hàng
• Các phép thử vật liệu cần thêm
• Chi phí vật liệu
• Chi phí sản xuất
• Chi phí bảo trì, kiểm tra
• Phân tích đầu tư, thời gian hoàn vốn
DECP-HUST
13
13
Cơ chế ăn
mòn
Tính chất
ăn mòn
của môi
trường và
vật liệu
Kinh
nghiệm
thực tiễn
DECP-HUST
Loại tải
trọng
Thông tin cần
thiết để đánh
giá khả năng
ăn mòn của
vật liệu
Chức năng
của vật liệu
14
14
7
3/25/2020
3.2. Thiết kế hợp lý
Tránh đọng ẩm
Dễ thay thế bộ
phận có tốc độ
ăn mòn cao
DECP-HUST
15
15
Kết cấu được sơn
Phải xử lý bề
mặt góc cạnh
trước khi phủ
Kết cấu được mạ
DECP-HUST
16
16
8
3/25/2020
3.3. Phương pháp thay đổi môi trường
• Nguyên tắc: làm giảm hoạt tính ăn mòn của môi
trường bằng cách làm giảm tác nhân gây ăn mòn hoặc
cho thêm các chất ức chế vào môi trường.
• Phạm vi ứng dụng: chỉ dùng được trong môi trường
hữu hạn.
* Đối với môi trường khí quyển
• Giảm độ ẩm
• Dùng ức chế pha hơi (Dicyclohexylamin nitrit, cyclohexylamin cacbonat)
* Đối với môi trường nước
• Giảm độ dẫn
• Loại bỏ cấu tử gây ăn mòn: Đuổi ôxy (gia nhiệt, hút chân
không, sục khí trơ, dùng hóa chất); Giảm H+ (trung hòa bằng CaO, NaOH)
DECP-HUST
17
17
• Thêm chất ức chế: Ức chế catốt; Ức chế anốt; Kết
hợp ức chế catốt và ức chế anốt.
(ức chế catốt an toàn hơn ức chế anốt)
Chất hoạt động bề
mặt
Chất ức chế anốt
(O2, NO2-, CrO42-,…)
DECP-HUST
Chất bảo vệ k/loại
(chất ức chế)
Chất kích thích ăn
mòn
Chất ức chế catốt
(Na2SO3,
Ca(HCO3)2, As3+,…)
Chất bảo vệ hỗn
hợp
(R-X)
18
18
9
3/25/2020
3.4. Phương pháp sơn phủ
• Nguyên tắc: ngăn cách kim loại với môi trường ăn
mòn bằng cách phủ lên bề mặt kim loại.
• Chất lượng lớp phủ và hiệu quả bảo vệ phụ thuộc
nhiều vào quá trình xử lý bề mặt kim loại trước khi
phủ.
DECP-HUST
19
19
* Lớp phủ kim loại
• Lớp phủ catốt
Cu, Ni, Cr, Pb, Sn, Ag
Lớp phủ phải kín, không
có khuyết tật.
• Lớp phủ anốt
Zn, Al, Cd
Tuổi thọ bảo vệ phụ thuộc
vào chiều dày lớp phủ.
DECP-HUST
20
20
10
3/25/2020
* Lớp phủ phi kim loại vô cơ:
• Tráng men
• Conversion coating:
• Lớp phủ ôxyt
• Lớp phủ phốt phát
• Lớp phủ crômat
DECP-HUST
21
21
Tạo lớp ôxyt nhôm
DECP-HUST
22
22
11
3/25/2020
DECP-HUST
23
DECP-HUST
24
23
24
12
3/25/2020
Hình ảnh công đoạn anốt hóa nhôm
DECP-HUST
25
DECP-HUST
26
25
26
13
3/25/2020
Lớp phủ ôxyt
(titan, nhôm)
Lớp phủ phốt phát
DECP-HUST
27
27
Lớp phủ cromát
DECP-HUST
28
28
14
3/25/2020
* Lớp phủ hữu cơ
• Sơn
Sơn nền (chống gỉ) – Sơn lót – Sơn phủ ngoài (chống vi sinh)
• Bọc chất dẻo, nhựa đường
DECP-HUST
29
29
Hệ lớp sơn chống ăn mòn
Top Coat: Trang trí, chịu tia UV, chống bám bẩn của VSV
Mid Coat: Tăng chiều dày sơn, bám dính
Primer:
Chống ăn mòn, bám dính tốt
~ 400 µm
Epoxy, PU, Alkyd, Acrylate
Topcoat: 150 µm
Epoxy
Mid coat: 150 µm
Epoxy
Primer: 70 µm
Metal Substrate
DECP-HUST
30
30
15
3/25/2020
Ví dụ hệ lớp sơn thương mại
Epoxy zinc primer
Epoxy primer
Epoxy tie coat
Epoxy top coat
or weatherable PUR
30 µ
50 µ
100 µ
50 µ
}
Epoxy zinc primer
30 µ
Epoxy aluminium primer 300µ
Epoxy top coat
300 µ
}
Bảo vệ thép
Siêu bảo vệ thép,
ví dụ để bảo vệ
công trình ngoài
khơi
DECP-HUST
31
31
Tuổi thọ của một số loại lớp phủ bền ăn mòn
(năm)
Coating System
Water-Based Acrylic Primer/Topcoat
Epoxy Primer/High-Build Epoxy Topcoat
High-Build Epoxy Primer/High-Build Epoxy
Topcoat
Epoxy Waterborne
High-Build Epoxy Primer/Acrylic Urethane
Topcoat
Inorganic Zinc/Epoxy Mastic/Polyester Urethane
Topcoat
Inorganic Zinc/Epoxy Mastic/Acrylic Urethane
Topcoat
Inorganic Zinc Primer/Waterborne Acrylic
Topcoat
DECP-HUST
Salt Water
Immersion
Mildly Corrosive
Environment
16.5
18
Moderately
Corrosive
Environment
12
12
Severely
Corrosive
Environment
9
9
na
6
7.5
19.5
13.5
10.5
na
18
12
9
na
16.5
10.5
7.5
na
31.5
22.5
16.5
na
30
21
15
na
24
16.5
12
32
32
16
3/25/2020
3.5. Phương pháp bảo vệ điện hóa
• Cơ sở lý thuyết: giản đồ E-pH
• Phạm vi ứng dụng: chỉ dùng được trong môi trường
điện ly liên tục như môi trường nước, môi trường
đất,…
33
DECP-HUST
33
Cơ sở lý thuyết của bảo vệ điện hóa
DECP-HUST
34
34
17
3/25/2020
* Phương pháp bảo vệ catốt
• Nguyên tắc: dịch chuyển điện thế kim loại về phía âm
(tăng phân cực catốt cho kim loại) cho đến khi phản
ứng anốt hòa tan kim loại trở nên không đáng kể.
• Phạm vi ứng dụng: bảo vệ kết cấu trong môi trường
trung tính, môi trường kiềm – khi quá trình ăn mòn xảy
ra với sự khử phân cực ôxy.
• Thường dùng để bảo vệ kết cấu thép trong nước biển,
nước sông, trong đất, cốt thép trong bê tông.
DECP-HUST
35
35
Sơ đồ bảo vệ catốt bằng anốt
hy sinh (SACP)
DECP-HUST
36
36
18
3/25/2020
Vật liệu anốt hy sinh:
- Hợp kim nhôm
- Hợp kim kẽm
- Hợp kim magiê
DECP-HUST
37
37
Anốt hy sinh kẽm bảo vệ cho tàu thủy, cửa đập thủy lợi,
phao đèn biển …
DECP-HUST
38
38
19
3/25/2020
Anốt hy sinh nhôm bảo vệ cho công
trình ngoài khơi
DECP-HUST
39
39
Hệ bảo vệ catốt bằng anốt hy sinh cho chân đế giàn khoan
(535m) ở Viosca Knoll (southeast of New Orleans)
DECP-HUST
40
40
20
3/25/2020
Anốt hy sinh bảo vệ cho
máy đun nước nóng
DECP-HUST
Anốt hy sinh bảo vệ cho công
trình ngầm trong đất
41
41
Anốt hy sinh bảo vệ cho cốt thép
trong bê tông
DECP-HUST
42
42
21
3/25/2020
Sơ đồ bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài (ICCP)
DECP-HUST
43
43
Vật liệu anốt phụ:
- Thép phế liệu
- Gang silic
- Graphit
- Titan phủ hỗn hợp ôxit
DECP-HUST
44
44
22
3/25/2020
Anốt graphit
Anốt gang silic
DECP-HUST
45
45
Anốt titan phủ hỗn hợp ôxit kim
loại (MMO)
MMO Coating
DECP-HUST
46
46
23
3/25/2020
Anốt ICCP bảo vệ cho công trình
ngầm trong đất
DECP-HUST
47
47
* Phương pháp bảo vệ anốt
• Nguyên tắc: dịch chuyển điện thế kim loại về phía
dương (tăng phân cực anốt cho kim loại) cho đến khi
điện thế kim loại rơi vào vùng thụ động.
• Phạm vi ứng dụng: chỉ dùng để bảo vệ kim loại thụ
động trong môi trường ôxy hóa.
• Thường dùng trong môi trường ăn mòn rất mạnh như
tank chứa, đường ống dẫn axit mạnh (axit sunphuric,
photphoric, nitric)
DECP-HUST
48
48
24