Khảo sát sự ăn mòn thép cacbon trong nước biển và khả năng ức chế của một số muối vô cơ bằng phương pháp phân cực điện hóa

KHẢO SÁT SỰ ĂN MÒN THÉP CACBON TRONG NƯỚC BIỂN VÀ KHẢ NĂNG ỨC CHẾ CỦA MỘT SỐ MUỐI VÔ CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN CỰC ĐIỆN HÓA LẠI THỊ HOAN NGUYỄN THỊ MAI BÙI THỊ MAI ANH Bộ môn Hóa - Khoa Khoa học cơ bản Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Thép cacbon đã và đang được sử dụng rộng rãi cho các công trình xây dựng, giao thông... đặc biệt là những công trình trong môi trường biển. Việc khảo sát, đánh giá sự ăn mòn của vật liệu này trong nước biển để đưa ra những tính toán sơ bộ về tuổi thọ và phương pháp tối ưu bảo vệ cho công trình là rất cần thiết. Trong báo cáo này chúng tôi trình bày một số kết quả khảo sát sự ăn mòn của thép cacbon trong nước biển. Từ kết quả khảo sát chúng tôi thấy trong môi trường nước biển thép cacbon bị phá hủy do hiện tượng ăn mòn điện hóa là rất lớn. Qua khảo sát khả năng ức chế thép cacbon của những muối vô cơ nói trên cho kết quả tương đối tốt – có thể sử dụng chúng để bảo vệ tạm thời cho thép cácbon trong bêtông cốt thép Summary: Carbon steel has been using for almost of structures, especialy with structures in sea environment. It’s necessary to develop optimal method to preliminary calculation about life-span for protecting structures. The recent research results have found out that some traditional inhibitors, such as anion cromate, silicate and molybdate that have the ability for metal and alloy. In this paper, we present some survey results about corrosion of carbon steel. From which we relise carbon steel can be damage easily in sea water. Using some traditional inhibitors has good result - they can be used as a temporary protector for carbon steel in reinforced concrete structures. CB-CNTT I. THỰC NGHIỆM Các thí nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Hóa - Trường Đại học Giao thông Vận tải. Trong quá trình thực nghiệm, chúng tôi sử dụng các hóa chất: NaCl, Na2MoO4, Na2SiO3.9H2O, K2CrO4, nước cất; nước biển tại Cửa Lò, Nghệ An và Đà Nẵng. Hệ thống điện hóa sử dụng gồm 3 điện cực: điện cực làm việc thép cacbon có diện tích bề mặt 0,79cm2, xung quanh bọc epoxy, được mài bóng, làm sạch và tẩy gỉ; điện cực đối lưới Pt; điện cực so sánh Ag/AgCl, KCl. Vật liệu làm điện cực thép cacbon. Các phép đo điện hóa được thực hiện trên máy đo điện hoá đa năng AUTOLAB30 kết nối với máy tính của Hà Lan. Các phép đo phân cực được thực hiện trong khoảng thế từ -1,2V đến 0,2V; tốc độ quét 5mV/s. Tốc độ ăn mòn được tính theo tiêu chuẩn ASTM G3-89 và ASTM G102-89. II. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 1. Ảnh hưởng của ion clorua đối với thép cacbon Chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của ion clorua có trong nước biển ở Đà Nẵng và Cửa Lò đối với thép cacbon, thu được kết quả như sau: a. Kết quả phân tích nước biển: (Được tiến hành tại Trung tâm Nghiên cứu công nghệ môi trường và Phát triển bền vững - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên) Chỉ tiêu Đơn vị Nước biển Cửa Lò Nước biển Đà Nẵng Cl− mg/l 17218 16863 Ca2+ mg/l 320 360 Mg2+ mg/l 1128 1104 K+ mg/l 431 436 Từ bảng kết quả chúng tôi xác định được nồng độ của NaCl trong nước biển tương ứng ở 2 vùng biển khảo sát là: Đà Nẵng (0,475M); Cửa Lò (Nghệ An) (0,483M). Suy ra nồng độ NaCl khảo sát ở phòng thí nghiệm phải tương ứng với nồng độ NaCl trong nước biển để đảm kết quả khảo sát phù hợp với thực tế. CB- CNTT b. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của ion clorua đến tốc độ ăn mòn thép cacbon trong nước biển bằng phương pháp phân cực điện hóa b.1. Nước biển Đà Nẵng Để thấy rõ hơn ảnh hưởng của ion clorua đến tốc độ ăn mòn thép cacbon trong điều kiện tự nhiên chúng tôi xác định tốc độ ăn mòn của vật liệu này trong môi trường nước biển Đà Nẵng ở các độ pha loãng khác nhau (mô phỏng cho sự xâm thực của nước biển). Qua các phép thử nghiệm, chúng tôi cũng thu được kết quả (xem hình 1, bảng 1). (1) (5) (9) -1.21 -0.96 -0.71 -0.46 -0.21 -91x10 -81x10 -71x10 -61x10 -51x10 -41x10 -31x10 -21x10 -11x10 E-V i-A /c m 2 Hình 1. Đường phân cực thép cacbon trong nước biển Đà Nẵng ở các độ pha loãng khác nhau Bảng 1. Mật độ dòng ăn mòn, thế ăn mòn, tốc độ ăn mòn thép cacbon trong nước biển Đà Nẵng STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Độ P.loãng 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 Mật độ i 1.41E-04 7.18E-05 5.30E-05 4.19E-05 4.02E-05 2.18E-05 1.40E-05 1.07E-05 7.00E-06 7.10E-06 Eăm (mV) -855 -863 -855 -853 -752 -750 -730 -716 -664 -645 Tăm(mm/n) 1.65 0.83 0.62 0.49 0.47 0.26 0.17 0.13 0.08 0.083 Nuoc bien D.nang 0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04 1.20E-04 1.40E-04 1.60E-04 0 100 200 300 400 500 600 Do pha loang Ia ( A /c m 2) -1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 E a (m V ) Series1 Series2 Nuoc bien Da nang 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 0 100 200 300 400 500 600 Do pha loang T .D a (m m /n am ) Series1 Hình 2. Sự phụ thuộc của dòng ăn mòn vào độ pha loãng của nước biển Đà Nẵng Hình 3. Sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn vào độ pha loãng của nước biển Đà Nẵng b.2. Nước biển Cửa Lò Tiến hành tương tự với nước biển Cửa Lò, chúng tôi thu được kết quả như sau: CB-CNTT Nuoc bien vinh-cua lo(i, v, logC) N. bien Cua lo P. loang 5 lan P. loang 10 lan -1.25 -1.00 -0.75 -0.50 -0.25 0 -81.00x10 -71.00x10 -61.00x10 -51.00x10 -41.00x10 -31.00x10 -21.00x10 -11.00x10 V i / A Hình 4. Đường phân cực thép CT3 trong nước biển Cửa Lò ở các độ pha loãng khác nhau Bảng 2. Mật độ dòng ăn mòn, thế ăn mòn, tốc độ ăn mòn của thép cacbon trong nước biển Cửa Lò theo độ pha loãng STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Độ pha loãng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Mật độ i 1.85E-04 1.42E-04 1.11E-04 6.86E-05 4.87E-05 3.68E-05 2.63E-05 2.09E-05 1.64E-05 1.71E-05 Eăm (mV) -916 -882 -844 -838 -823 -807 -778 -771 -691 -653 Tăm (mm/n) 2.175 1.669 1.302 8.05E-01 5.72E-01 4.32E-01 3.08E-01 2.46E-01 1.93E-01 2.00E-01 Nuoc bien Cua lo 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 2 4 6 8 10 12 Do P.loang T .D a( m m /n am ) T.§(mm/n) Hình 5. Sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn vào độ pha loãng của nước biển Cửa Lò Nhìn vào số liệu thu được khi khảo sát sự ăn mòn của thép cacbon đối với dung dịch ăn mòn là nước biển Cửa Lò tùy thuộc vào độ pha loãng ta cũng thu được kết quả tương tự như đối với nước biển Đà Nẵng nhưng mật độ dòng ăn mòn, tốc độ ăn mòn đều lớn hơn so với nước biển Đà Nẵng. 2. Khảo sát khả năng ức chế của một số muối vô cơ đối với quá trình ăn mòn thép cacbon trong môi trường ion clorua Chúng tôi tiến hành đo đường cong phân cực của điện cực thép cacbon trong dung dịch NaCl 0,5M có mặt chất ức chế K2CrO4 và Na2MoO4 được đồ thị như sau: Uc che CrO4 ddNaCI 0,5M ddNaCI 0,5M+K2CrO4 0,25M -1.20 -0.95 -0.70 -0.45 -0.20 -81.00x10 -71.00x10 -61.00x10 -51.00x10 -41.00x10 -31.00x10 -21.00x10 -11.00x10 V i / A Uc che MoO4 ddNaCI 0,5M ddNaCI 0,5M+Na2MoO4 0,001M -1.20 -0.95 -0.70 -0.45 -0.20 -81.00x10 -71.00x10 -61.00x10 -51.00x10 -41.00x10 -31.00x10 -21.00x10 -11.00x10 V i / A CB- CNTT Hình 6. Đường cong phân cực đo trong dung dịch NaCl a. Khi có mặt chất ức chế K2CrO4 b. Khi có mặt chất ức chế Na2MoO4 Bảng 3. Kết quả thu được từ đường cong phân cực của điện cực thép cacbon trong dung dịch NaCl 0,5M có mặt ion CrO42− với các nồng độ khác nhau STT 0 1 2 3 4 5 6 7 8 C (M) 0 0.0001 0.0005 0.001 0.005 0.01 0.05 0.1 0.25 Iăm(A/cm2) 8.76E-05 1.01E-04 1.09E-04 1.07E-04 1.01E-04 9.52E-05 8.33E-05 7.27E-05 6.60E-05 Ec.b(mV) -821 -845 -870 -870 -872 -868 -859 -845 -850 Tăm(mm/n) 1.029 1.18E+00 1.28E+00 1.26E+00 1.19E+00 1.12E+00 9.79E-01 8.51E-01 7.75E-01 Zb.v(%) 0 4.7 12.4 14.6 15.6 18.8 24.9 27.3 34.7 Bảng 4. Kết quả thu được từ đường cong phân cực của điện cực thép cacbon trong dung dịch NaCl 0,5M có mặt ion MoO42− với các nồng độ khác nhau STT 0 1 2 3 4 5 6 7 8 C (M) 0 0.0001 0.0005 0.001 0.005 0.01 0.05 0.1 0.25 I¨m(A/cm2) 8.76E-05 8.61E-05 8.09E-05 7.36E-05 7.46E-05 7.73E-05 8.27E-05 9.77E-05 2.77E-04 Ec.b(mV) -821 -877 -886 -883 -873 -890 -888 -883 -902 T¨m(mm/n) 1.029 1.01 9.50E-01 8.65E-01 8.77E-01 9.08E-01 9.71E-01 1.15E+00 1.15E+00 Zb.v( %) 0 1.9 4.7 5.9 14.8 15.8 17.6 19.4 21.5 Từ kết quả trên, cho thấy ion CrO42−, ion MoO42− có tác dụng ức chế đối với sự ăn mòn thép cacbon trong dung dịch NaCl 0,5M. Đường cong phân cực cho thấy các ion này có tác dụng ức chế phản ứng catot mạnh hơn phản ứng anot. Trong dung dịch NaCl 0,5M, có tính ăn mòn rất lớn, hiệu quả bảo vệ tăng theo nồng độ ức chế. Các chất Na2CrO4, Na2MoO4 trong dung dịch NaCl 0,5M đều có tác dụng dịch thế cân bằng về giá trị âm hơn, chúng có tác dụng ức chế phản ứng catot mạnh hơn. Bảng 5. Kết quả hiệu quả bảo vệ của các chất trong dung dịch NaCl 0,5M STT Chất ức chế Hiệu quả bảo vệ (%) lớn nhất Nồng độ (M) 1 Na2CrO4 34,7 0,2500 2 Na2MoO4 21,5 0,250 III. KẾT LUẬN 1. Các kết quả thực nghiệm trên cho thấy ion clorua có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ ăn mòn thép cacbon, độ pha loãng mà càng lớn (nồng độ ion clorua càng nhỏ) thì dòng ăn mòn cũng nhỏ tốc độ ăn mòn thép cacbon giảm càng mạnh. CB-CNTT 2. Ion CrO42− và MoO42− có tác dụng ức chế sự ăn mòn (bảo vệ) thép cacbon trong dung dịch NaCl 0,5M; ion CrO42− cho hiệu quả bảo vệ cao hơn đáng kể và có thể sử dụng để bảo vệ tạm thời cho cốt thép trong bê tông. Tài liệu tham khảo [1]. L.Lukovits, E.Kalman, and F.Zucchi, Corrosion Inhibitor Correlation between electronic structure and efficiency, Corrosion Science section, Vol 57, No1, Page 1-8, 2001. [2]. Lại Thị Hoan, Bộ môn Hóa, Khoa Khoa học Cơ bản, Trường Đại học GTVT. "Xác định tốc độ ăn mòn thép CT3 trong môi trường nước biển, nước trung tính". Mã số T2007-CB-55. [3]. Reza Favaherdashti, Anti-Corrosion Methods and Materials, Vol.47, No.1, pp.33-34. [4]. I.M. Zin’, L.M.Bilyi, I.P.Gnyp, M.B. Ratushna (2004), "Protective action of phosphate and calcium - containing pigments under the condition of the stress corrosion fracture of steels", Materials science, Vol.40, No.5, p605-610. [5]. V.I.Pokhmurs’kyi, I.M.Zin’, S.B.Lyon, M.C. Simmonds (2004), "Inhibition of steel and galvanised steel corrosion by zinc and calcium ions in presence of phosphate", Corrosion engineering, science and technology, Vol.39. No.2, p167-173. [6]. Bùi Quang Tuấn, Bộ môn Hóa, Khoa Khoa học Cơ bản, Trường Đại học GTVT. "Khảo sát khả năng ức chế ăn mòn của một số anion CrO42−; PO43−; MoO42−; SiO32−; C2O42− đối với thép xây dựng trong môi trường NaCl". Mã số T2007-CB-55♦