ĂN MÒN KIM LOẠI
7.1. THỤ ðỘNG HOÁ KIM LOẠI
→ Khái nim:
- Trạng thỏi thụ ủộng của kim loại hay hợp kim là trạng thái mà trên bề mặt của nó hình
thành một lớp màng mỏng có tính chất bảo vệ kim loại hay hợp kim trong dung dịch ăn mũn. Lớp màng này cú thể dày vài A0 ủến vài trăm A0 và ủược hỡnh thành do quỏ
trình oxy hoá.
Ví dụ:
- ðặc trưng cho trạng thỏi thụ ủộng là khi kim loại bị thụ ủộng thỡ ủiện thế ủiện cực của nú chuyển về phớa dương hơn (phõn cực anod lớn) và ủiện trở ăn mũn lớn, nờn tốc ủộ ăn mũn giảm nhanh.
- Hiện tượng thụ ủộng do Lomonoxov tỡm ra năm 1738 và sau ủú ủược Faraday phỏt triển thờm vào năm 1840.
- Cú hai cỏch ủể chuyển kim loại vào trạng thỏi thụ ủộng:
* Phân cực anod (bằng dòng ngoài)
* Nhỳng vào dung dich ủiện li cú chứa cấu tử thích hợp.
e H
OH Fe
O H
Fe + 2 2 → ( )2 + 2 + + 2
→ ðng hc ca quỏ trỡnh th ủng kim loi:
Giả sử rằng có một số kim loại ở trong dung dịch ủiện li ở một ủiện thế ủủ
dương sẽ xảy ra phản ứng sau:
* Phân cc anod:
Ví dụ: Fe bị phân cực anod trong dung dịch 0.5M H2SO4, bắt ủầu phõn cực từ ủiện thế ăn mũn Ecorr. (Hỡnh 7.1.)
ye yH
O Me O
yH
xMe + 2 → x y + 2 + + 2
Potentiostat
REF
WE AUX
A N P
Hỡnh 7.1. Sơ ủồ của Potentiostat ủể ủo thế và dũng
e H
O O
H 4 4
2 2 → 2 + + +
e H
O Fe O
H
Fe 3 6 6
2 + 2 → 2 3 + + +
2
2 /
10
7 A m
ipass = × −
2
3 /
10
2 A m
iècit = ×
FeSO4
2 2
2H+ + e→ H
e Fe
Fe→ 2+ +2 cb
EH
2
cb
EFe
E(v)
logi
Hỡnh 7.2. Thụ ủộng hoỏ sắt trong mụi trường axit
* Nhỳng kim loi vào cht ủin li cú cht oxy hoá thích hp:
Muốn thụ ủộng một kim loại Me nào ủú thỡ ủem nhỳng nú vào trong dung dịch ủiện li cú chứa các cấu tử oxy hoá của hệ oxy hoá khử (redox) cú ủiện thế cõn bằng dương hơn
Trong trường hợp này ủiện thế ủược xỏc ủịnh bằng phản ứng anod của kim loại
hoặc oxyt kim loại với phản ứng khử của chất oxy hoá.
cb redox
E
Ep Ecorr
Cỏc ủiều kiện ủể thụ ủộng kim loại bằng hệ oxy hoá khử:
Trong thực tế cỏc hệ oxy hoỏ khử ủỏp ứng hai
ủiều kiện trờn cú thể ủược dựng như một chất ức chế thụ ủộng trong dung dịch ăn mũn, chẳng hạn như Na2CrO4. Mặt khác, những kim loại hoàn
toàn bị thụ ủộng cú thể cú hiện tượng ăn mũn cục bộ. Hiện tượng này là do sự phá huỷ cục bộ màng thụ ủộng hoặc bằng hoỏ học hoặc bằng cơ học. Vớ dụ như sự phỏ huỷ màng thụ ủộng bằng các yếu tố hoá học do ảnh hưởng của các ion halogen ủặc biệt là Cl-, Br-, I- cú mặt trong mụi trường.
p cb
redox cb
puqtd E E
E > >
E crit redox
c i
i
p
, >
→
→ →
→ nh hưng nng ủ cht oxy hoỏ:
2
logi E(V)
A B
C X
C’
D E
F
1 3 4 5 6
7
8
Nồng ủộ Tốc ủộ ăn mũn
A B
C
C’ D
E F
Hình 7.3 Hình 7.4
→ →
→ → nh hưng tc ủ chuyn ủng dung dch
Hình 7.5 Hình 7.6
2
logi E(V)
1 3 4 5 6
O2+2H2O+4e→4OH-
2H2O+2e→→→H→ 2+2OH-
M→Mn++ne
EM
ipass
Tốc ủộ khuấy Tốc ủộ ăn mũn
Tốc ủộ khuấy Tốc ủộ ăn mũn
Hình 7.7
7.2. BẢO VỆ ðIỆN HOÁ
→
→
→
→ Khái nim:
Bảo vệ ủiện hoỏ là phõn cực hoỏ ủiện cực
* Phân cc anod:
Chuyển ủiện thế ủiện cực về phớa dương hơn so với ủiện thế ăn mũn cho ủến khi kim loại rơi vào trạng thỏi thụ ủộng và tốc ủộ ăn mũn chỉ giảm trong mụi trường ủú khi kim loại bị thụ ủộng.
* Phân cc catod:
Chuyển ủiện thế ủiện cực về phớa õm hơn so với ủiện thế ăn mũn thỡ hầu như phản ứng hoà tan kim loại ngừng hẳn.
- Phân cực catod bằng cách nối kim loại cần bảo vệ với cực õm của nguồn một chiều, ủược gọi là bo v catod ủin phõn.
- Phân cực catod bằng cách nối kim loại cần bảo vệ với kim loại khỏc cú ủiện thế ủiện
cực õm hơn, ủược gọi là bo v bng Protector (anod hy sinh).
♣
♣
♣
♣ Bo v bng Protector (ant hy sinh) Bảo vệ bằng Protector có thể thực hiện bằng hai cách (Hình 7.8.)
3 2 1
4
1 2
Gián tiếp Trực tiếp
Hình 7.8.
TB
Ecorr
E
I
cb
Ec
cb
ETB cb
EPro TB
EHT Sum(Ia)
I’corr(TB) Icorr(TB) Iprotector
Hình 7.8. ðường cong phân cực của hệ thống bảo vệ bằng protector
ðIỆN THẾ LÀM VIỆC - ðIỆN THẾ BẢO VỆ - HIỆU THẾ TÁC DỤNG
• ðin th làm vic ca ant hy sinh: là ủiện thế của nú khi nối với thiết bị cần bảo vệ (ủiện thế mạch ủúng)
• ðin th bo v: là ủiện thế tại ủú sự ăn mòn sẽ dừng hoặc rất nhỏ. Các kim loại khỏc nhau cú ủiện thế bảo vệ khỏc nhau (bảng 7.1.)
• Hiu ủin th tỏc dng: là hiệu số ủiện thế của thiết bị và của anốt hy sinh. Khi thiết kế
thì lấy lva
TB bv
td E E
E = −
∆
-0,45 ÷ -0,6 Hợp kim ủồng
-0,55 Chì
-0,9 Môi trường kị khí
-0,8 Môi trường háo khí
Thép và sắt
ðiện thế bảo vệ so với ủiện cực clorua bạc Kim loại
Bảng 7.1.
DUNG LƯỢNG & HIỆU SUẤT CỦA ANỐT HY SINH
• Dung lưng: là tổng ủiện tớch (Iìτ) do một ủơn vị khối lượng anốt sản sinh ra khi hoà tan ủiện hoỏ. Dung lượng ủo bằng A.h cho một kg (A.h/kg).
- Nghịch ủảo của dung lượng là tốc ủộ tiờu thụ, ủo bằng (kg/A.năm)
- Dung lượng lý thuyết tớnh theo ủịnh luật Faraday
- Dung lượng thực tế nhỏ hơn dung lượng lý thuyết
• Hiu sut ant:
YÊU CẦU VỚI ANỐT HY SINH
• Cú hiệu ủiện thế tỏc dụng ủủ lớn
• Vật liệu làm anốt cú ủiện thế làm việc ớt nhiều khụng ủổi trong một phạm vi mật ủộ dũng nào ủú (tức phải anốt phải cú phõn cực nhỏ khi cú dũng ủiện chạy qua và ủặc ủiểm của sự phõn cực cĩ thể tiên đốn được)
• Vật liệu làm anốt cú dung lượng cao, ổn ủịnh, khụng bị thụ ủộng, ăn mũn ủều, ủủ bền cơ,
hiệu suất cao
%
×100
=
lt tt
C η C
VẬT LIỆU LÀM ANỐT HY SINH
Có thể bảo vệ phần lớn các kim loại, nhưng thông dụng nhất là bảo vệ thép cacbon trong mụi trường tự nhiờn (nước, cỏt, ủất). Kim
loại ủược dựng làm anốt hy sinh là Mg, Al, Zn và hợp kim của chúng (bảng 7.2.)
1230 0,7
-1,5 Nước biển
Mg-Al-Zn
780 -1,05
Nước biển Zn-Al-Cd
760 ÷ 780 0,15 ÷ 0,23
-0,95÷ -1,03 Nước biển
Zn
925 ÷ 2600 0,2 ÷ 0,25
-1,0 ÷ -1,05 Nước biển
Al-Zn-Sn
2300 ÷ 2650 0,2 ÷ 0,3
-1,0 ÷ -1,1 Nước biển
Al-Zn-In
1230 0,9
-1,7 Nước biển
Mg-Mn
2600 ÷ 2850 0,2 ÷ 0,25
-1,0 ÷ -1,05 Nước biển
Al-Zn-Hg
Dung lượng (Ah/kg)
∆Etd(V) Elv so với ủ/cực
Ag/AgCl trong nước biển Môi
trường Hợp kim
Bảng 7.2.
♣Bo v catod bng dũng ủin ngoài
Bảo vệ catod bằng dũng ngoài cú thể lắp ủặt như sau (Hình 7.9.)
Hình 7.9. Bảo vệ catốt
bằng dũng ủiện ngoài Fe→Fe
2+ + 2e
2H++2e→H2 Ecorr
ia ic
iaủ
10-6 10-3 10-2 ia
0,1 100 iaủ
Ecorr
ic 120mV
120mV
E(V)
A/cm2 E(V)
àA/cm2
3
V A
1 2
4
5
Một số vật liệu ủược dựng làm anốt phụ như sau (bảng 7.3.)
Nước biển, nước ngọt, chất lỏng
sạch 8×10-6
10000 Ti
Ta + Pt Nb
Nước biển 0,09
150 Chì (1%Ag, 6%Sb)
Nước biển, nước ngọt
0,5÷1 20
Graphít
Nước biển 0,1
35 Gang
Nước biển, bùn 10
5 Thép phế liệu
Khuyên dùng Tiêu hao
(kg/A.năm) Dũng cực ủại
(A/m2) Loại vật liệu
Bảng 7.3.
Comparison of anodic and cathodic protection (table 7.4)
Higher
Depends on cathodic reduction current
Is not an exact measure of corrosion rate but increases with corrosion rate
Usually determined by
emperical testing or expenence Very low
Often a direct measure of
corrosion rate during protection
Can be accurately determined by electrochemical measurements 5/ Applied current
6/ Operating conditions
Constant current or controlled potential
Controlled potential 4/ Rectifiers
Lower Lower Higher Low High
High Very low Very high 3/ comparative cost
+ Installation + Maintenance + Operation
+ Throwing power
Weak to moderate for practical systems
Moderate to aggresive 2/ Solution corrosivity
All metals and alloys Active-passive metals and alloys
only 1/ Applicability metals
Cathodic protection Anodic protection
CHƯƠNG 12