Ăn mòn và bảo vệ kim loại

www.themegallery.com Company Logo

Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại do tương tác hóa học hoặc điện hóa của kim loại với môi trường xung quanh.

Ví dụ: Sắt thép không được sơn phủ kỹ, tiếp xúc với không khí ẩm, nước (đặc biệt là nước mưa) nên bị ôxi hoá mạnh, gây ra hiện tượng gỉ, ăn mòn.

5.1. Ăn mòn kim loại

5.1.1. Khái niệm


Sự gẫy, đứt, sự xâm thực, mài mòn, trương nở cao phân tử không gọi là ăn mòn.


Sự biến dạng của cấu trúc khi thay đổi nhiệt độ không gọi là ăn mòn.


5.2. Các dạng ăn mòn kim loại

Ăn mòn hóa học

Ăn mòn kim loại

Ăn mòn điện hóa


A. Ăn mòn hóa họcA. Ăn mòn hóa học

Text

Text

Text

Ăn mòn hóa học là quá trình ăn mòn kim loại do tác dụng hóa học giữa kim loại và môi trường, trong đó các electron của kim loại được chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường.

a) Định nghĩa:

Text


3Fe + 2O2 Fe3O4

2Fe + 3Cl2 2FeCl3

3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2

Ví dụ

Ăn mòn hóa học thường xảy ra ở những bộ phận của thiết bị lò đốt hoặc những thiết bị thường xuyên tiếp xúc với hơi

nước và khí oxi…


a) Định nghĩa:

Text

b) Cơ chế ăn mòn:

A. Ăn mòn hóa họcA. Ăn mòn hóa học


- Ăn mòn trong môi trường không phải là chất điện ly dạng lỏng:

Nhiên liệu (xăng, …)

Dung môi hữu cơ

Lưu huỳnh nóng chảy

Brom lỏng


Xăng lẫn tạp chất (andehit, nhựa…) dễ bị oxy hóa bởi oxi

của không khí

CH3-CHO + O2 CH3-COOH

Axit axetic có thể ăn mòn các kim loại như sắt, mangan,

crom…

Axit axetic có thể ăn mòn các kim loại như sắt, mangan,

crom…

Kim loại bị Kim loại bị xăng ăn mònxăng ăn mòn

Ví dụ: Ăn mòn kim loại bởi xăng


- Ăn mòn trong môi trường khí:

+ Phổ biến nhất là ăn mòn bởi oxi không khí: O2 + M → MxOy

+ Sự khử cacbon của thép bởi O2, H2, H2O, CO2:Fe4C3 + 3/2 O2 4 Fe +

3CO

Fe4C3 + 3CO2 4Fe + 6CO

Fe4C3+3H2O

4Fe+3CO+3H2

Fe4C3 + 6H2 4Fe + 3CH4


Text

a) Định nghĩa:

B. Ăn mòn điện hóaB. Ăn mòn điện hóa

Ăn mòn điện hóa là quá trình oxi hóa khử trên mặt giới hạn tiếp xúc giữa kim loại và môi trường chất điện li, nó gắn liền với sự chuyển kim loại thành ion kim loại đồng thời kèm theo sự khử một thành phần của môi trường và sinh ra một dòng điện.


Text

a) Định nghĩa:

B. Ăn mòn điện hóaB. Ăn mòn điện hóa

b) Cơ chế ăn mòn:


b) Cơ chế ăn mòn

1

- Quá trình anot: xảy ra ở khu vực mà KL bị ion hóa và chuyển vào dung dịch:

Me – ze → Mez+

2

- Quá trình catot: xảy ra ở khu vực mà các ion, nguyên tử hoặc phân tử của chất điện ly nhận điện tử trên bề mặt kim loại:

D + ne [D.ne]

Gồm 2 quá trình:


Ví dụ: Ăn mòn Fe trong khí quyển ẩm:

• Anot: Fe – 2e → Fe2+

• Catot: 1/2 O2 + 2e + H2O → 2 OH–

- Tiếp theo: Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2

4Fe(OH)2 +O2(kk) +2H2O→ 4Fe(OH)3

- Theo thời gian Fe(OH)3 sẽ bị mất nước tạo ra gỉ sắt có thành phần chủ yếu là Fe2O3.xH2O.


Company Logo

5.1.3. Các phương pháp đánh giá tốc độ ăn mòn

a) Phương pháp trọng lượng:a) Phương pháp trọng lượng:

* Tính theo tổn thất khối lượng ăn mòn: thường áp dụng cho ăn mòn đều.

tS

m

t.S

mm 10

⋅=−= ∆ρ

tốc độ ăn mòn, g/(m2.h); mg/(cm2.ngày) ρ

thiệt hại khối lượng, g hoặc mg Δm

diện tích bề mặt, m2 hoặc cm2 S

thời gian ăn mòn, h hoặc ngày t

Trong đó:


* Tính theo tổn thất độ sâu ăn mòn:

d76,8P

ρ=

d – khối lượng riêng của kim loại, g/cm3

ρ - tốc độ ăn mòn theo khối lượng, g/(m2.h);

P – chỉ số độ sâu ăn mòn, mm/năm;


b) Phương pháp thể tích:

• Đánh giá tốc độ ăn mòn thông qua thể tích của hiđro được giải phóng ra hoặc thể tích oxi bị tiêu thụ.


c) Các phương pháp phân tích:

• Xác định nồng độ ion kim loại bị hoà tan vào môi trường xâm thực, từ đó suy ra tốc độ ăn mòn.

• Các phương pháp phân tích định lượng: phương pháp quang phổ, phương pháp hấp phụ nguyên tử, phương pháp cực phổ, …

d) Phương pháp điện hóa:

Đo điện thế ổn định hoặc điện thế ăn mòn Eăm

So sánh giá trị thế ăn mòn Eăm đo được với giá trị thế trên đồ thị điện thế (E) để suy đoán khả năng xảy ra ăn mòn trên điện cực nghiên cứu.

Hình 1 - Sơ đồ đo thế ăn mòn Eăm

phụ thuộc thời gian Eăm - f(t):

1 - Điện cực làm việc (WE); 2 - Điện cực so sánh (RE) - điện cực; 3 - Von

kế; 4 - Dung dịch nghiên cứu; 5 - Cầu nối chứa KCl (hoặc HCl)

Hình 2 - Sự biến đổi thế ăn mòn theo thời gian Eăm - f(t):

1 - Điện thế ăn mòn dịch chuyển về phía dương; 2 - Điện thế ăn mòn dịch

chuyển về phía âm.


e) Phương pháp đánh giá theo chỉ số cơ khí: thường áp dụng cho ăn mòn cục bộ

%100.K0

100 σ

σσ −=

0σ

1σ

Trong đó: K – chỉ số cơ khí, %;

- độ bền kéo ban đầu, kg/cm2;

- độ bền kéo sau khi ăn mòn, kg/cm2.

5.2. Phương pháp chống ăn mòn5.2. Phương pháp chống ăn mòn

5.2.1. Chống ăn mòn điện hóa5.2.1. Chống ăn mòn điện hóaa) Lựa chọn vật liệu kim loại thích hợp:Kim loại đen, thép không gỉ, gang, titan và hợp kim titan…

b) Xử lý môi trường để bảo vệ kim loại

- Loại trừ các cấu tử gây ăn mòn: Giảm độ ẩm; điều chỉnh pH về môi trường trung tính; giảm nồng độ oxi.

- Sử dụng chất ức chế bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn+ Chất ức chế gây thụ động: Na2Cr2O4, NaOH, Na2CO3,

các muối photphat, silicat, borat… + Chất ức chế hấp phụ không gây thụ động

c) Sử dụng lớp sơn phủc) Sử dụng lớp sơn phủ

- Phủ kim loại lên bề mặt kim loại

+ Phủ bằng phương pháp nhúng vào kim loại nóng chảy

+ Mạ điện

- Lớp phủ vô cơ:

+ Lớp photphat hóa

+ Oxi hóa điện hóa kim loại

- Lớp phủ hữu cơ: sơn, vecni

Sơn giàu kẽm

d) Phương pháp điện hóa:

- Bảo vệ catot bằng dòng ngoài: Kim loại cần được bảo vệ, các đường ống dẫn nhiên liệu dưới đất, vỏ tầu biển được nối với cực âm của nguồn điện một chiều, còn cực dương của nguồn điện nối với một anot bằng vật liệu ít tan.

- Bảo vệ bằng anot hi sinh:

5.2.2. Chống ăn mòn hóa học5.2.2. Chống ăn mòn hóa học

a) Tạo hợp kim bền nhiệt:

Đưa vào thành phần kim loại gốc các nguyên tố tạo thành hợp kim có tính chịu nhiệt cao, làm tăng khả năng chống ăn mòn hóa học của KL trong môi trường khí ở nhiệt độ cao.

Ví dụ: + Hợp kim gốc Fe chứa 8-10% Al, khi bị oxi hóa

tạo thành màng oxit của nguyên tố hợp kim là Al2O3

bảo vệ bề mặt của hợp kim.

+ Thép chứa 30% Cr chịu nhiệt đên 1200 oC do cấu tử hợp kim Cr cùng với kim loại gốc là Fe khi bị oxi hóa

tạo thành oxit kép FeCr2O4 có tính bảo vệ cao.

b) Sử dụng lớp phủ bảo vệ

Có thể bao phủ bằng KL hoặc phi kim bằng nhiều phương pháp: khuếch tán nhiệt, hàn đắp, bọc kim loại, phun kim loại, mạ, tráng men chịu nhiệt, gốm…

c) Dùng môi trường để bảo vệ Lựa chọn và sử dụng thành phần môi trường khí

thích hợp để chống ăn mòn khi gia công nhiệt các kim loại.

CHƯƠNG 6

HÓA HỌC DẦU MỎ

6.1. Nguồn gốc dầu mỏ

Nguồn gốc dầu mỏ

Giả thuyết về nguồn gốc vô cơ

Giả thuyết về nguồn gốc hữu

cơ

a) Giả thuyết về nguồn gốc vô cơ của dầu mỏ

43234 CH3)OH(Al4OH12CAl +→+

22222 HC)OH(CaOH2CaC +→+

4

22

CH

HCMedeleev D.I.

Dầu mỏ là sản phẩm của quá trình

thủy phân các cacbua kim loại.

→ xt,p,t Các hydrocacbon khác nhau

b) Giả thuyết về nguồn gốc hữu cơ của dầu mỏ

Dầu mỏ là sản phẩm của quá trình phân hủy và biến đổi xác

thực vật và động vật bị chôn vùi trong lớp

trầm tích.

6.2. Thành phần hoá học và ứng dụng của dầu mỏ

6.2.1. Thành phần hóa học của dầu mỏ

Thành phần hydrocacbon

Thành phần phi hydrocacbon

a) Thành phần hydrocacbon trong dầu mỏ

• Hydrocacbon là thành phần chính của dầu mỏ.• Bằng phương pháp hóa lý người ta xác định

có hơn 400 loại hydrocacbon khác nhau.

Hydrocacbon

Parafin

Xyclo parafin

Aromat

Hỗn hợp xycloparafin-aromat

- Hydrocacbon parafinic (ankan)

Là loại hydrocacbon phổ biến nhất trong dầu mỏ, tồn tại dưới 3 dạng: khí, lỏng và rắn.

Parafin

Khí Lỏng Rắn

Parafin

n-parafin Izo-parafin

Hàm lượng n-parafin rắn (≥C18) làm dầu dễ

bị đông đặc

Là nguyên liệu để tổng hợp hóa học (chất tẩy rửa tổng hợp, tơ sợi nhân tạo, chất

dẻo…)

Izo-parafin từ C1 – C5 làm tăng khả năng

chống kích nổ của xăng

- Hydrocacbon xyclo-parafinic

• Có hàm lượng từ 30% đến 60% trọng lượng.

• Thường ở dạng vòng 5, 6 cạnh.

• Là thành phần quan trọng trong nhiên liệu động cơ và dầu nhờn.

• Dùng để điều chế các hydrocacbon thơm như : benzen, toluen, xylen…

R

R

R

CH3

(CH2)10CH3

- Hydrocacbon aromatic

• Thường nằm ở phần nhẹ và là cấu tử làm tăng khả năng chống kích nổ.

- Hỗn hợp xycloparafin-aromat

Là loại rất phổ biến trong dầu, nằm ở phần có nhiệt độ sôi cao.

tetralinCH2-CH2

b) Thành phần phi hydrocacbon

- Các hợp chất chứa lưu huỳnh:

* Các hợp chất chứa lưu huỳnh là loại phổ biến nhất, chúng làm xấu đi chất lượng dầu thô:

+ dầu chứa < 0,5% S: dầu tốt

+ dầu chứa từ 1%-2% S: dầu xấu

* Chúng thường ở dạng :

+ mercaptan : R-S-H.

+ sunfua: R-S-R’.

+ đisunfua : R-S-S-R’.

+ lưu huỳnh tự do : S, H2S.

- Các chất chứa nitơ:

Có rất ít trong dầu mỏ ( 0,01 1% khối lượng), thường có từ 1-3 nguyên tử nitơ.

quinodinpyridin

- Các chất chứa oxy:

Thường tồn tại dưới dạng axit, xeton, phenol, este... Trong đó axit và phenol là quan trọng hơn cả.

Phenol

- Các kim loại nặng:

+ Hàm lượng các kim loại nặng không nhiều; chúng có cấu trúc của phức cơ kim chủ yếu là phức của V và Ni.

+ Các kim loại nặng hàm lượng nhiều sẽ gây trở ngại các quá trình chế biến xúc tác.

- Các chất tạo nhựa và asphaten

+ Các chất tạo nhựa và asphaten là những chất đồng thời chứa các nguyên tố C, H, O, S, N có phân tử lượng lớn.

+ Màu sẫm, nặng hơn nước, không tan trong nước và có cấu trúc vòng thơm.

+ Nó làm giảm chất lượng dầu mỏ, tạo cặn, tạo tàn.

+ Là nguyên liêu để làm nhựa đường.

- Nước lẫn trong dầu mỏ

- Trong dầu mỏ bao giờ cũng lần một lượng nước nhất định chúng tồn tại ở dạng nhũ tương.

- Trong nước khoan chứa 1 lượng lớn các muối khoáng.

- Dùng để sản xuất Br2, I2.

Chế biến dầu

Bậc 1 Bậc 2

Chưng cất Cracking Reforming

Khí dầu mỏKhí dầu mỏTTss<< 40 4000СС

XăngXăngTTss<< 180 180 00СС

Kerosen180<T180<Tss<< 250 250 00СС

Gasoil nhẹ250<T250<Tss<< 350 350 00СС

Gasoil nặng350<T350<Tss<< 500 500 00СС

Cặn GudronTTss>> 500 500 00СС

- Nhiệt độ sôi dưới 180 0C.- Bao gồm các hydrocacbon từ C5 đến C10,C11.

*Động cơ xăng: là một kiểu động cơ đốt trong nhằm chuyển hóa năng lượng hóa học của nhiên liệu (xăng) khi cháy thành năng lượng cơ học dưới dạng chuyển động quay.

- Ứng dụng:

a) Xăng làm nhiên liệu:

Động cơ xăng

Động cơ 4 thì Động cơ 2 thì

Động cơ 4 kỳ

Sơ đồ cấu tạo động cơ xăng 4 kì

Sơ đồ hoạt động của động cơ xăng 4 kì

Động cơ 2 kỳ

1

2

34

5

6

7

8

9

10

Sơ đồ cấu tạo động cơ xăng 2 kì

1. Bugi

2. Pit-tông

3. Cửa thải

4. Cửa nạp

5. Thanh truyền

6. Trục khuỷu

7. Cacte

8. Đường thông cacte với cửa quét

9. Cửa quét

10. Xilanh

Sơ đồ hoạt động của động cơ xăng 2 kì

*Bản chất quá trình cháy trong động cơ xăng: Để động cơ làm việc bình thường thì trong xylanh, các mặt lửa phải lan chuyền đều đặn, hết lớp nọ mới đến lớp kia, với tốc khoảng 15 đến 40 m/s.

Khi nào xảy ra sự cháy kích nổ?

*Tri số octan:

Định nghĩa: Trị số octan là một đơn vị đo quy ước dùng để đặc trưng cho khả năng chống kích nổ của nhiên liệu, được đo bằng phần trăm thể tích của izo-octan trong hỗn hợp chuẩn với n-heptan, tương đương với khả năng chống kích nổ của nhiên liệu ở điều kiện tiêu chuẩn. Trong xăng chứa càng nhiều hidrocacbon thơm hoặc izo-parafin thì trị số octan càng cao.

1) Phương pháp dùng phụ gia:Dùng một số hóa chất pha vào xăng nhằm hạn chế quá trình oxi hóa của các hidrocacbon ở không gian trước mặt lửa khi cháy trong động cơ.

Phương pháp làm tăng trị số octan:

Phụ gia chì

Phụ gia không chì

Chất phụ gia

- Phụ gia chì: Bao gồm các chất như tetrametyl chì (TML), tetraetyl chì (TEL) có tác dụng phá hủy các hợp chất trung gian hoạt động và do đó giảm khả năng bị cháy kích nổ.

2Ct

2

3Ct

43

PbOOPb

CH4Pb)CH(Pbo

O

→+

+→ •

+ Cơ chế dùng phụ gia chì như sau:Phân hủy TML trong động cơ:

Tạo chất không hoạt động:

22Ct

22

2Ct

23

O2/1OHPbORCHOPbOOOHCHR

OOHCHROCHRo

O

+++→+−

−→+−

Chất hoạt động

Chất không hoạt động

+ Chì oxit PbO được đưa ra ngoài bằng C2H5Br hoặc

C2H5Cl:

OHPbBrPbOHBr2

HBrHCBrHC

22

42Ct

52

O

+→+

+→

- Phụ gia không chì:

• Pha trộn xăng có trị số octan cao (như xăng alkyl hóa, izome hóa…) vào nhiên liệu có trị số octan thấp.

• Nâng cấp và đưa thêm các thiết bị lọc dầu để sản cuât xăng có trị số octan cao.

• Sử dụng các chất phụ gia không chì như các hợp chất chứa oxi: etanol, MTBE,

MTBA, TAME…

2) Phương pháp hóa học

- Áp dụng các công nghệ lọc dầu tiên tiến để chuyển các hydrocacbon mạch thẳng thành mạch nhánh, hoặc thành hydrocacbon vòng no, vòng thơm có trị số octan cao. - Các công nghệ lọc dầu bao gồm các quá trình như: cracking xúc tác, reforming xúc tác…

- Ứng dụng:

a) Xăng làm nhiên liệu:

b) Xăng làm nguyên liệu tổng hợp cho tổng hợp hóa dầu, làm dung môi

Sản xuất các hydrocacbon thơm khác nhau như benzen, toluen, xylen, etyl benzen… và các olefin nhẹ như etylen, propylen…

Science

Ăn mòn và bảo vệ kim loại