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