Phương pháp bảo vệ Catốt

Bảo vệ catốt là phân cực catốt một bề mặt kim loại bị ăn mòn để làm giảm tốc độ ăn mòn. Xét phản ứng ăn mòn sắt trong dung dịch trung tính có sục khí.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phương pháp bảo vệ Catốt http://www.ebook.edu.vn 127CHƯƠNG 10 PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ CATỐT10.1. Cơ sở lý thuyết10.1.1. Nguyên lý và ứng dụng Bảo vệ catốt là phân cực catốt một bề mặt kim loại bị ăn mòn để làm giảmtốc độ ăn mòn. Xét phản ứng ăn mòn sắt trong dung dịch trung tính có sục khí: Fe → Fe2+ + 2e (1) - O2 + 2H2O + 4e → 4OH (2) Phân cực catốt cho hệ thống này từ điện thế ăn mòn Ecor sẽ làm giảm tốcđộ của phản ứng (1) (dư điện tử nên cân bằng dịch chuyển từ phải sang trái),nhưng lại làm tăng tốc độ phản ứng khử oxy và tạo OH- (2) (cân bằng dịchchuyển từ trái sang phải). Có hai phương pháp bảo vệ catốt: dùng dòng điện ngoài và anốt hy sinh(protector). http://www.ebook.edu.vn 128 Trong phương pháp bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài, dòng điện để phâncực catốt được cung cấp từ máy biến thế chỉnh lưu (chuyển điện xoay chiều ACthành điện một chiều DC). Ở những nơi hẻo lánh không có điện, dòng điệnngoài có thể được cung cấp từ máy phát điện chạy dầu diesel, chạy khí đốt hoặctừ pin mặt trời. Anốt có thể là một hoặc nhiều điện cực bằng graphit (cho cấutrúc ngầm dưới đất) hoặc gang có hàm lượng silic cao, titan phủ platin (cho cấutrúc nhúng trong nước biển). Trong phương pháp bảo vệ catốt bằng anốt hy sinh, kim loại cần bảo vệđược nối với một kim loại khác, gọi là anốt hy sinh, có điện thế âm hơn. Cácanốt hy sinh được hàn vào đường ống ngầm hay đường ống nhúng trong nướcbiển và phải được thay thế định kỳ vì chúng bị tiêu thụ trong phản ứng hòa tananốt. Các anốt chôn trong đất (dù theo phương pháp dòng điện ngoài hay anốt hysinh) đều được chôn lấp hoặc đóng gói trước cùng với các vật liệu dẫn điện,thường là hạt than cốc, để tăng diện tích anốt, giảm mật độ dòng anốt, giảm tiêuhao anốt. Phương pháp bảo vệ catốt có thể áp dụng để làm giảm tốc độ ăn mòn chobất kỳ kim loại nào. Tuy nhiên, phương pháp này thường được áp dụng cho cáccấu trúc bằng thép cacbon trong môi trường ăn mòn nhẹ như đất, nước và nướcbiển. Thép không gỉ, Cu và hợp kim Cu có sẵn tính chống ăn mòn nên khôngcần bảo vệ thêm. Các kim loại khác như Al, Zn dễ bị ăn mòn catốt do tính kiềmcủa khu catốt tăng khi phản ứng catốt xảy ra nên mức độ phân cực catốt phảiđược khống chế cẩn thận. Phương pháp bảo vệ catốt sẽ không kinh tế khi môitrường có tốc độ ăn mòn cao hơn (ví dụ thép trong môi trường axít), đòi hỏidòng áp đặt cao hơn và biến thế chỉnh lưu lớn hơn. Ngoài ra, phản ứng khử catốtsẽ sinh ra nhiều hydrô có thể gây nguy hiểm, đồng thời các lớp phủ rẻ tiền đểgiảm dòng điện ngoài thường không chịu được môi trường axít.10.1.2. Phương pháp bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài a) Bảo vệ catốt cho thép trong môi trường axít Đường cong phân cực của thép trong dung dịch axít có dạng sau: http://www.ebook.edu.vn 129 Tốc độ ăn mòn khi chưa phân cực anốt là 10-3 A/cm2. Phân cực catốtkhoảng 120 mV (tương ứng với dòng áp đặt iapp) sẽ làm giảm tốc độ ăn mònxuống còn 10-6 A/cm2. Độ giảm này sẽ phụ thuộc vào độ dốc của đường congphân cực anốt (hệ số Tafel anốt βa ). Trong trường hợp này βa = 40 mV, nên ứngvới mỗi độ giảm 40 mV sẽ làm giảm tốc độ ăn mòn đi 10 lần. Đường cong phân cực catốt sẽ cho biết mật độ dòng điện ngoài áp đặt,iapp, ứng với mỗi mức phân cực catốt. Trong ví dụ trên, iapp vào khoảng 1,5 x10-2 A/cm2 nghĩa là cứ mỗi m2 bề mặt ống cần dùng cường độ dòng 150 A. Điềunày sẽ không kinh tế, nên phương pháp bảo vệ catốt sẽ không thực tế nếu ápdụng cho các môi trường có tính axít xâm thực với tốc độ ăn mòn cao. b) Bảo vệ catốt cho thép trong nước trung tính thông khí và nước biển Ăn mòn bị khống chế bởi sự khuếch tán của oxy hòa tan đến bề mặt ănmòn ở iL = icor = 100 μA/cm2. Giả sử βa = 40 mV như trong trường hợp trên, độphân cực catốt khoảng 120 mV sẽ làm giảm tốc độ ăn mòn xuống còn 0,1μA/cm2. Do tốc độ ăn mòn và mật độ dòng áp đặt bị giới hạn bởi iL, nên iapp tốiđa chỉ là 100 μA/cm2. Giá trị cường độ dòng áp đặt này vẫn còn lớn (1 m2 bềmặt cần 1 A), nhưng có thể giảm đi bằng cách dùng lớp phủ (thường là bền ănmòn trong môi trường trung tính). Nếu phân cực catốt dư (điện thế catốt chuyển về phía âm hơn nữa), thì phảnứng phóng điện của nước có thể xảy ra 2H2O + 2e → H2 + 2OH- (3) Hydrô thoát ra (dù trong môi trường trung tính hay kiềm) đều phá hủy lớpphủ và gây giòn hydrô cho cấu trúc. Ngoài ra phản ứng khử mới sẽ làm tiêu tốnthêm cường độ dòng áp đặt.10.1.3. Phương pháp bảo vệ catốt bằng anốt hy sinh Trong ăn mòn galvanic giữa các kim loại khác nhau, kim loại có điện thếdương hơn sẽ được bảo vệ catốt, còn kim loại có điện thế âm hơn sẽ bị ăn mòn. http://www.ebook.edu.vn 130Điện tử sẽ di chuyển từ anốt hy sinh (kim loại có điện thế âm) đến catốt (kimloại có điện thế dương hơn). Phản ứng anốt hòa tan (1) của kim loại có điện thế dương hơn sẽ giảm dodư điện tử đến từ anốt hy sinh, nhưng phản ứng khử oxy hòa tan (2) hoặc phảnứng thoát hydrô (3) sẽ tăng lên. Đường cong phân cực của cặp galvanic giữa anốt hy sinh và cấu trúc đượcbảo vệ catốt, mỗi loại có điện thế ăn mòn Ecor,a và Ecor,c tương ứng. Hai kim loại này được phân cực về cùng một điện thế “ngắn mạch” ESC vớidòng điện IG(SC) chạy trong mạch. Tại ESC, tốc độ ăn mòn của cấu trúc giảm từIcor về Icor(SC). Khi có điện trở dung dịch, RΩ, giữa anốt hy sinh và cấu trúc catốt, thì điệnthế của hai điện cực sẽ chênh nhau một giá trị là IG(R)RΩ. Khi đó dòng ăn mònchỉ giảm đến Icor(R) và dòng điện chạy trong mạch chỉ đạt IG(R), nhưng lượng tiêuhao anốt sẽ giảm.10.1.4. Lớp phủ và bảo vệ catốt Các khuyết t ...