Công nghệ vô cơ

loại Me và sự khử của chất oxy hoá không xảy ra trực tiếp ở cùng một nơi và trong cùng một trường phản ứng. Sự ăn mòn điện hoá của kim loại bao gồm ba quá trình cơ bản: - Quá trình anôt (hoà tan kim loại): Là quá trình oxy hoá trong đó kim loại chuyển vào dung dịch dưới dạng cation Mez+ và giải phóng điện tử, kim loại bị ăn mòn Me đ Mez+ + ze - Quá trình dẫn điện: Các điện tử do kim loại bị ăn mòn giải phóng ra sẽ đi từ anốt tới catốt, còn các ion vận chuyển và khuyếch tán trong dung dịch - Quá trình catốt: Là quá trình khử hoá điện hoá. Trong đó chất oxy hoá (Ox) nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn nhường cho Ox + ze đ Re 2. Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phá huỷ kim loại Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoà tan kim loại như : * Điện thế điện cực của kim loại trong môi trường Điện thế tiêu chuẩn của kim loại có thể đánh giá gần đúng tính bền vững nhiệt động của kim loại do ECatốtcb và E anốtcb phụ thuộc bản chất từng kim loại. * Tính chất và cấu trúc của hợp kim Những hợp kim nhiều pha nói chung kém bền vì các pha có điện thế khác nhau do đó hình thành các pin ăn mòn cục bộ. Các hợp kim một pha thường bền với ăn mòn hơn. * môi trường xung quanh kim loại - ảnh hưởng của pH Khi pH thay đổi làm thay đổi điện thế điện cực dẫn đến thay đổi tốc độ ăn mòn của kim loại. Ngoài ra do pH thay đổi nên sản phẩm ăn mòn có thể hoà tan hay tạo màng bảo vệ trên bề mặt điện cực cũng làm thay đổi tốc độ ăn mòn - ảnh hưởng của thành phần và nồng độ dung dịch Trong môi trường trung tính, các muối oxy hoá như KClO3, K2CrO4 làm cho kim loại thụ động, tốc độ ăn mòn bị kìm hãm, các anion tạo thành với ion kim loại muối không tan trên anốt và catốt làm giảm tốc độ ăn mòn. - ảnh hưởng của nồng độ oxy Đa số các trường hợp kim loại bị ăn mòn do sự khử phân cực oxy nên khi nồng độ oxy tăng thì tốc độ ăn mòn tăng. Tuy nhiên khi nồng độ oxy đạt đến một giá trị nào đó, kim loại có thể bị thụ động. - ảnh hưởng tốc độ chuyển động của chất điện ly Trong môi trường chất điện ly chuyển động, khi tốc độ thay đổi, do nồng độ oxy khuếch tán thay đổi và màng bảo vệ có thể bị phá huỷ nên tốc độ ăn mòn cũng thay đổi. - ảnh hưởng của nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, đa số các trường hợp đều tăng tốc độ ăn mòn, quá thế hydro và oxy giảm. Tuy nhiên, do nồng độ hoà tan của oxy có thể giảm khi nhiệt độ tăng hay sản phẩm tạo ra có tính bảo vệ nên tốc độ ăn mòn giảm. * ảnh hưởng của cấu tạo thiết bị Các chi tiết trong thiết bị, nếu chế tạo không thích hợp sẽ gây ăn mòn tại các mối hàn, mối nối, các chỗ tù đọng... 3. các phương pháp bảo vệ kim loại Để bảo vệ công trình kim loại khỏi ăn mòn, tuỳ từng điều kiện môi trường người ta sử dụng các phương pháp bảo vệ khác nhau hoặc phối hợp các phương pháp để quá trình boả vệ đạt hiệu quả cao. Các phương pháp thường được dùng để bảo vệ các công trình kim loại: 3.1. Bảo vệ kim loại bằng cách xử lý môi trường * Loại trừ các cấu tử gây phá huỷ kim loại Phần lớn các kim loại dùng để chế tạo thiết bị đều bền trong môi trường trung tính không chứa oxy. Do vậy để loại trừ các cấu tử gây ăn mòn có thể trung hoà môi trường, loại trừ oxy bằng phản ứng hoá học, bằng các phương pháp vật lý * bảo vệ kim loại bằng chất ức chế Chất ức chế ăn mòn là những chất cho thêm vào môi trường với một lượng nhỏ nhưng kìm hãm đáng kể tốc độ ăn mòn . Chất ức chế ăn mòn được nghiên và sử dụng từ lâu. Có nhiều loại chất ức chế khác nhau, sử dụng trong các điều kiện khác nhau, với các hàm lượng khác nhau. 3.2. Bảo vệ kim loại bằng sơn phủ cách ly Có thể phủ lên bề mặt kim loại cần bảo vệ một lớp phủ kim loại (phủ kim loại) hoặc lớp phủ phi kim ( lớp phủ oxyt và phosphat, sơn, vecni, men, bi tum ...) 3.3. Bảo vệ kim loại bằng phương pháp điện hoá Phương pháp này chỉ được dùng để bảo vệ kim loại trong môi trường có độ dẫn điện ion. Đây là phương pháp bảo vệ đang được sử dụng hiện nay vì có nhiều ưu điểm, hạn chế mức thấp nhất tốc độ phá huỷ kim loại trong một số môi trường. Để nâng cao hiệu quả bảo vệ, thực tế thường phải kết hợp một số phương pháp với nhau. Nguyên tắc của bảo vệ điện hoá một kim loại là biến đổi điện thế của nó tới một điện thế tại đó kim loại không bị ăn mòn. Khi điện thế của kim loại được dịch chuyển về phía âm hơn điện thế ổn định thì người ta nói kim loại được bảo vệ catốt. Khi điện thế của kim loại được dịch chuyển về phía dương hơn điện thế ổn định gọi là bảo vệ anốt. 3.3.1 Bảo vệ anốt * nguyên tắc của bảo vệ anốt Là tăng phân cực anốt cho kim loại cần bảo vệ bằng dòng điện ngoài hoặc kim loại có điện thế dương hơn điện thế của kim loại đó . Phương pháp này chỉ áp dụng cho kim loại có khả năng thụ động trong môi trường. 3.3.2 Bảo vệ catốt * nguyên tắc của bảo vệ catốt Phương pháp dựa trên nguyên tắc tăng phân cực catốt cho kim loại cần bảo vệ bằng dòng điện ngoài hay bằng kim loại có điện thế âm hơn điện thế của kim loại đó. Nghĩa là dịch chuyển điện thế của kim loại cần bảo vệ về phía âm hơn và dòng ăn mòn của kim loại sẽ giảm . Tuỳ thuộc vào biện pháp tăng phân cực catốt chia ra hai phương pháp bảo vệ catốt là bảo vệ bằng anốt hy sinh ( protector) và bảo vệ bằng dòng điện ngoài (trạm catốt). 3.3.2.1 Bảo vệ catốt bằng anốt hy sinh ( protector ) * nguyên tắc Theo phương pháp này thì điện thế của kim loại cần bảo vệ được dịch chuyển về phía âm nhờ nối công trình kim loại cần bảo vệ với một kim loại khác có điện thế âm hơn. Kim loại có điện thế điện cực âm hơn đươc gọi là anốt hy sinh hay protector. Các kim loại và hợp kim có điện thế âm hơn kim loại cần bảo vệ trong cùng môi trường đều có khả năng làm vật liệu hy sinh. Các anốt hy sinh được chế tạo bằng hợp kim trên cơ sở nền nhôm, kẽm, magiê được dùng phổ biến. Tuỳ theo vật liệu công trình cần bảo vệ mà có thể lựa chọn được các vật liệu làm anốt hy sinh thích hợp. Đối với thép trong đất và một số môi trường thì điện thế bảo vệ tối thiểu -0,85V (so với điện cực Cu/CuSO4 bão hoà). 3.3.2.2 Bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài *nguyên tắc Phương pháp này dựa trên cơ sở dùng dòng điện một chiều từ bên ngoài để phân cực cho công trình kim loại cần bảo vệ. Thực hiện bằng cách nối cực âm của nguồn một chiều với công trình kim loại cần bảo vệ, còn cực dương nối với điện cực phụ. Sơ đồ nguyên tắc khi bảo vệ bằng dòng điện ngoài như sau: Hình 3.2: Sơ đồ bảo vệ catốt bằng dòng ngoài 1- Công trình kim loại cần bảo vệ 2- Chất bọc anốt 3 - Điện cực phụ Phương pháp bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài thường dùng để bảo vệ các công trình thép trong môi trường nước biển, nước ngọt và trong môi trường đất. Bởi vì ở các môi trường này phản ứng catốt là phản ứng phóng điện của O2 (ăn mòn với sự phân cực khử O2). Người ta thường không bảo vệ trong môi trường axit (vì H2 thoát ra làm giòn thép ) 4. các thông số bảo vệ công trình thiết bị * điện thế bảo vệ Khi bảo vệ các công trình kim loại trong môi trường chất điện ly (trong đất, trong nước…) điện thế bảo vệ là một thông số quan trọng. Điện thế bảo vệ là điện thế tại đó sự phá huỷ kim loại sẽ dừng hoặc rất nhỏ. Các kim loại khác nhau có điện thế bảo vệ khác nhau. Ví dụ, để bảo vệ thép CT3 trong nước biến, đất ven biển có hiệu quả, điện thế bảo vệ tối thiểu phải đạt -0,80 V (Ag/AgCl) ứng với -0,85V( Cu/CuSO4). Hoặc dịch chuyển điện thế kim loại cần bảo vệ tối thiểu -300mV. * Dòng điện bảo vệ Dòng điện bảo vệ là đại lượng quan trọng trong bảo vệ công trình kim loại bằng phương pháp điện hoá. Xác định giá trị dòng điện bảo vệ là một trong các yêu cầu quan trọng khi sử dụng biện pháp bảo vệ điện hoá. Dòng điện bảo vệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ pH, nhiệt độ, nồng độ Oxy hoà tan, lớp kết tủa trên bề mặt kim loại, tác động của dòng chảy, tác động vi sinh vật, dòng điện dò, công trình lân cận… dòng điện bảo vệ biến đổi trong khoảng rộng và phụ thuộc nhiều thông số khác nhau nên trong quá trình thiết kế việc chọn thông số dòng điện bảo vệ làm chuẩn sẽ gặp khó khăn và đôi khi có thể thiếu chính xác. Hai thông số điện thế bảo vệ và dòng điện bảo vệ có liên quan chặt chẽ với nhau trong việc lựa chọn phương án nâng cao hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cho công trình bảo vệ. * Môi trường chất điện ly ở các môi trường khác nhau, điện trở môi trường là khác nhau, ví dụ, trong đất chua mặn 5-10 W/m, đồi núi 30 W/m, nước biển 0,2-0,7 W/m, đồng bằng, đất sét 10-20W/m, nước ngọt 10-30W/m. điện trở môi trường ảnh hưởng lớn đến dòng hoà tan anốt, và điện trở anốt, do vậy làm ảnh hưởng tới tổng trở của mạch. II. Tổng quan về nước thải và các phương pháp xử lý nước thải 1. Phân loại nước thải Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng đã bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng. Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng. Đó là cơ sở cho việc lựa chọn các biện pháp hoặc công nghệ xử lý. Người ta phân loại nước thải thành các dạng sau: - Nước thải sinh hoạt: là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở, trường học, bệnh viện... - Nước thải công nghiệp (nước thải sản xuất): là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động, có cả nước thải sinh hoạt nhưng nước thải công nghiệp là chủ yếu. - Nước thấm qua: đây là nước mưa thấm vào hệ thống cống bằng nhiều cách khác nhau như qua các khớp nối, các ống khuyết tật hoặc thành hố ga. - Nước thải tự nhiên: là nước mưa, loại này có thể thu gom, xử lý để sử dụng trong sinh hoạt. - Nước thải đô thị: là loại nước trong hệ thống cống thóat nước của thành phố, có thể là hỗn hợp của các loại nước thải trên. Trong các nguồn nước thải trên thì nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt gây ô nhiễm lớn nhất, đang được nhiều nhà khoa học, công nghệ quan tâm nghiên cứu xử lý. Đặc biệt là ở các cơ sở in, nhuộm, sản xuất thực phẩm các bể chứa xăng dầu thải ra một lượng lớn nước thải màu gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. ở các bãi rác thải cũng có một lượng khá lớn nước rích rác ứ đọng thấm vào đất, sông tập trung thành các ao hồ nước bẩn làm ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe dân cư sống lân cận. 2. Các phương pháp xử lý nước thải Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tái sử dụng nước cần phải có các biện pháp xử lý nước thải. Sau đây là một số biện pháp xử lý thường dùng: - Phương pháp cơ học: Nước thải công nghiệp cũng như nước thải sinh họat thường chứa chất tan và không tan ở dạng hạt lơ lửng. Các tạp chất lơ lửng có thể ở dạng rắn và lỏng, chúng tạo với nước thành hệ huyền phù. Để tách các hạt lơ lửng ra khỏi nước thải thường người ta sử dụng các quá trình thủy cơ (gián đoạn hay liên tục): lọc qua song chắn hoặc lưới, lắng dưới tác dụng của lực trọng trường hoặc lực ly tâm và lọc. Việc lựa chọn phương pháp xử lý tùy thuộc vào kích thước hạt, tính chất hóa lý, nồng độ hạt lơ lửng, lưu lượng nước thải và mức độ làm sạch cần thiết. - Phương pháp hóa lý: Gồm các phương pháp đông tụ và keo tụ, tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi Ion, các quá trình tách bằng màng và các phương pháp điện hóa - Phương pháp hóa học: Các phương pháp hóa học dùng trong xử lý nước thải gồm có trung hòa, oxy hóa và khử. Tất cả các phương pháp này đều dùng tác nhân hóa học nên là phương pháp đắt tiền. Người ta sử dụng phương pháp hóa học để khử các chất hòa tan vào trong các hệ thống cấp nước khép kín. Đôi khi các phương pháp này được dùng để xử lý sơ bộ trước khi xử lý sinh học hay sau công đoạn này như là một phương pháp xử lý nước thải lần cuối để thải vào nguồn nước sạch. - Phương pháp sinh học: Mục đích để làm sách nước thải sinh hoạt cũng như nước thải sản xuất khỏi nhiều chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ như: H2S, các Sunfit, Amoniac, Nito...Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải. Như vậy nước thải có thể xử lý bằng phương pháp cơ học, hóa học và phương pháp sinh học. Các phương pháp này được dùng khá phổ biến và mang lại hiệu quả kinh tế cao. Tuy nhiên trong một số loại nước thải có chứa các chất hữu cơ mang màu khó phân hủy sinh học thì các phương pháp này đôi khi không thể xử lý triệt để. Phương pháp đông tụ điện hóa là phương pháp có khả năng xử lý triệt để đối với loại nước thải có chứa chât hữu cơ, chất mang màu đặc biệt nước rác thải và nước thải nhuộm. 3. Phương pháp đông tụ điện hóa xử lý nước thải Phương pháp đông tụ, tạo bông là một phương pháp được sử dụng rộng rãi trong việc xử lý nước. Cơ sở của phương pháp này là sử dụng muối kim loại có khả năng hình thành các bông keo tụ. Các bông keo tụ này sẽ hấp phụ các chất bẩn trong nước thải tạo thành bông lớn hơn và được tách ra bằng phương pháp đơn giản. Bằng phương pháp đông tụ điện các tạp chất tồn tại trong nước thải dưới dạng chất tan được tách ra. Các hạt keo muốn tách ra một cách có hiệu quả, trước hết chúng phải được trung hòa điện tích, sau đó chúng kết hợp lại với nhau tạo thành khối keo tụ lớn hơn. Quá trình trung hòa điện tích gọi là quá trình đông tụ. Các hạt keo nhỏ có điện tích trái dấu tiến gần đến nhau thực hiện quá trình trung hòa điện tích. Các bông keo tập hợp lại thành khối bông lớn hơn gọi là quá trình tạo bông. Các tác nhân đông tụ thường sử dụng là muối của sắt, nhôm hoặc sử dụng hỗn hợp. Đông tụ điện hóa với anốt hòa tan là phương pháp tạo ra các chất như Fe(OH)2, Fe(OH)3, Al(OH)3 làm tác nhân keo tụ hình thành các bông keo tụ có khả năng keo tụ nhiều chất hữu cơ, chất vô cơ, chất màu...trong dung dịch. Song song với quá trình keo tụ tách tạp chất, quá trình đông tụ điện hóa còn thực hiện các quá trình oxy hóa khử để thay đổi các mạch hữu cơ, khử các Ion kim loại có trong nước thải đưa chúng về dạng dễ lắng hơn. Ngoài ra, một đặc điểm rất quan trọng của phương pháp này là làm thóat khí H2, O2 ở hai điện cực anốt và catốt tạo thành quá trình tuyển nổi khuấy trộn dung dịch làm tăng hiệu quả xử lý. Các bông keo Fe(OH)2, Fe(OH)3, Al(OH)3 đã hấp phụ các chất màu, chất hữu cơ và các tạp chất khác trong dung dịch. Sau đó dưới tác dụng của tuyển nổi sẽ nổi lên trên bề mặt dung dịch và được gạt ra. Trong nghiên cứu này chúng tôi đã tiến hành xử lý một số mẫu nước thải nhuộm, nước thải rác, nước thải chứa xăng dầu bằng phương pháp đông tụ điện hóa. Kết quả thu được khá tốt (ảnh minh họa ở phần phụ lục). để quá trình xử lý đạt hiệu quả cao cần khảo sát nhiều yếu tố như tính chất của vật liệu anốt, môi trường chất điện ly, mật độ dòng điện anốt, thời gian điện phân, phụ gia... 4. Vật liệu chế tạo anốt trong xử lý nước thải Đối với quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp đông keo tụ điện hóa thì vật liệi làm điện cực anốt là yếu tố ảnh hưởng lớn đến hiệu quả xử lý và quyết định ảnh hưởng của các yếu tố khác. Người ta đã sử dụng hợp kim của nhôm làm điện cực anốt và hiệu quả xử lý nước thải là khá tốt. Tuy nhiên nhược điểm của loại vật liệu này là có độ hòa tan lớn, nên thời gian sử dụng không được lâu. Mặt khác cần phải tìm được nhiều loại vật liệu có thể dùng làm điện cực anốt trong xử lý nước thải cũng như trong bảo vệ các công trình kim loại. Thép hợp kim cao Ferosilic cũng có thể sử dụng làm điện cực anốt trong xử lý nước thải. Đặc điểm của vật liệu này là có độ bền cơ và bền hóa cao, do vậy có thể sử dụng trong môi trường chịu tác động của ngoại lực, thời gian sử dụng lâu. Chúng tôi đã dùng vật liệu này đẻ xử lý một số mẫu nước thải nhuộm, nước thải rích rác, nước chứa xăng dầu, ban đầu thu được kết quả tốt (ảnh minh họa ở phần phụ lục). trong nghiên cứu này đã tiến hành khảo sát một số tính chất của vật liệu anốt thép hợp kim cao Ferosilic để từ đó xác định thành phần hợp kim cũng như chế độ công nghệ chế tạo thích hợp nhất ứng dụng làm vật liệu anốt trong việc xử lý nước thải cũng như bảo vệ catốt đạt hiệu quả cao. iii. tổng quan về vật liệu chế tạo Anốt trơ 1. yêu cầu đối với vật liệu chế tạo anốt Vật liệu chế tạo anốt sử dụng trong bảo vệ điện hóa cũng như xử lý môi trường cần có độ bền cao và có tính năng kỹ thuật đặc biệt. Các yêu cầu kỹ thuật đối với điện cực anốt bao gồm: -Có độ bền cơ, độ bền hóa cao -Có độ tiêu hao nhỏ trong quá trình làm việc -Có điện trở nhỏ tản nhiệt tốt, ít xảy ra phản ứng phụ -Công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành thấp, không nguy hiểm đối với môi trường và con người 2. Một số vật liệu anốt hay dùng Trước đây vật liệu anốt thường dùng là sắt thép vụn phế thải bị hòa tan anốt trong quá trình sử dụng. Ngày nay các loại anốt tan đó chỉ được dùng rất ít. Các vật liêu chế tạo anốt phụ thường được dùng: Graphit, Ferosilic, hợp kim Pb-Ag, manhêtít, compozit, thép, gang, Titan mạ Pt ... Bảng 1.1 Trình bày tính chất của một số anốt với vật liệu khác nhau Bảng 1.1 Một số loại vật liệu anốt hay dùng Vật liệu Tổn thất khối lượng, kg/năm Môi trường Ta hay Nb mạ Pt 8.10-6 Biển, nước sinh hoạt, chất độn các bon, chất lỏng rất sạch Ti mạ Pt 8.10-6 Môi trường nước biển và nước uống Thép 6,8-9,1 Nước sinh hoạt, đất Thép Silic cao 0,25-1 Biển và chất độn các bon Sắt Khoảng 9,5 Biển và chất độn các bon Pb - Pt 0,09 Biển Pb - Ag 0,09 Biển Graphít 0,1-1 Biển, nước uống - Các loại vật liệu Titan,Ta hay Nb mạ Pt có độ bền cơ bền hóa cao, độ tiêu hao nhỏ, khoảng 8.10-6 kg/Anăm, mật độ dòng lớn. Loại vật liệu này sử dụng dược trong nhiều môi trường, nhưng do giá thành cao, vật liệu hiếm nên chỉ được sử dụng trong các trường hợp đặc biệt, khi mà các vật liệu khác không đáp ứng được. - Graphít có độ bền hóa cao, độ tiêu hao tương đối lớn 0,1-1 kg/Anăm. Graphít có độ dẫn lớn, nhưng không bền cơ học, giòn nứt, bị mài mòn, nhưng dễ gia công. Ta có thể sử dụng trong các môi trường ít tác động của ngoại lực và không đòi hỏi mật độ dòng điện lớn. - Chì và hợp kim chì có độ bền cơ học, độ bền hóa cao, độ tiêu hao nhỏ 0,09 kg/Anăm. Do vậy thời gian sử dụng lớn, có thể dùng được trong các môi trường chịu tác động ngoại lực lớn. Các hợp kim của chì được sử dụng từ lâu, với công nghệ chế tạo đơn giản, vật liệu sẵn có. Nhưng chì là nguyên tố phóng xạ, độc hại trong quá trình chế tạo, sử dụng. Mặt khác khi hoà tan, nó tạo ra màng sản phẩm đặc sít, bám chắc cản trở sự hoà tan tiếp theo, làm tăng điện trở gây tiêu hao điện năng. - Sắt thép thường được sử dụng phổ biến trươc kia, do vật liệu sẵn có, chế tạo đơn giản, rẻ tiền. Ta có thể sử dụng sắt thép vụn phế thải làm điện cực anốt. Độ tiêu hao của loại vật liệu này tương đối lớn từ 6,8- 9,5 kg/Anăm nên tổn thất lớn sản phẩm từ quá trình hoà tan nhiều làm tăng điện trở, tiêu hao điện năng, hiệu quả bảo vệ thấp. - Thép hợp kim cao Ferosilic là vật liệu có độ bền cơ và bền hoá cao, độ hoà tan khoảng 0,25-1,0 kg/Anăm. Thành phần của Si, Ni, Cr, Mn có ảnh hưởng lớn đến tính chất của thép hợp kim. Khi tăng hàm lượng Si thì độ cứng, độ bền tăng mạnh, nhưng làm giảm mạnh độ dẻo, độ dai của thép. Còn hai nguyên tố Ni và Cr trong khi làm tăng độ cứng còn làm tăng độ dai. Thép hợp kim Ferosilic với thành phần phụ gia thích hợp sẽ tạo ra các pha có độ bền hoá cao, khi đó mức độ tiêu hao vật liệu giảm xuống và mật độ dòng tăng lên. Độ hoà tan ít, sản phẩm tạo ra trên điện cưc anốt thấp, điện trở ít thay đổi, và tiêu hao điện năng là không lớn. Để sử dụng được loại vật liệu này trong các môi trường chịu tác động của ngoại lực thì phải quan tâm đến hàm lượng của Si, Ni, Cr, Mn và các phụ gia hợp kim hoá để tăng độ bền cơ học. 3. Quan hệ giữa thành phần -cấu trúc -tính chất của thép hợp kim cao 3.1. Thành phần của thép hợp kim cao Hợp kim là vật liệu được tạo thành khi đem kim loại nấu chảy hay thiêu kết (nung nóng ở trạng thái rắn để dính kết) với một hay nhiều nguyên tố khác (là kim loại hay á kim ) có tính chất kim loại. Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại. Thành phần các nguyên tố hợp kim được biểu thị bằng số phần trăm trọng lượng của mỗi nguyên chứa trong nó. Nguyên tố kim loại chính chứa nhiều nhất (>50%) được gọi là nền hay nguyên tố chủ. Trong thép hợp kim nền là sắt, và nguyên tố không thể thiếu được là C, nếu hàm lượng cácbon nhỏ hơn 2,14% ta có thép hợp kim, nếu hàm lượng cácbon vượt quá 2,14% thì thép hợp kim Fe-C được gọi là gang. Ngoài ra còn có các nguyên tố có lợi được đưa vào một cách đặc biệt với hàm lượng đủ lớn gọi là các nguyên tố hợp kim, chúng bao gồm các nguyên tố với hàm lượng lớn hơn giới hạn cho từng nguyên tố - Sắt là nguyên tố kim loại thuộc nhóm VII của hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học, thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp. Sắt có chứa nhiều trong vỏ quả đất (khoảng 5% trọng lượng ) cũng như các nguyên tố khác, sắt không thể ở dạng tuyệt đối tinh khiết. + cơ tính: so với nhiều kim loại thường dùng như nhôm, đồng, sắt có độ bền, độ cứng cao hơn hẳn, nhưng vẫn còn thấp so với yêu cầu của chế tạo cơ khí. Đó là nguyên nhân ngươi ta hầu như không dùng sắt nguyên chất trong chế tạo cơ khí, mà dùng hợp kim của nó vì cơ tính cao hơn rõ rệt. + Tính thù hình : sắt có hai kiểu mạng tinh thể tồn tại ở trong ba khoảng nhiệt độ: . Mạng lập phương thể tâm tồn tại ở trong hai khoảng nhiệt độ: dưới 9110C được gọi là Fe , từ 1392-15390C được gọi là Fed (đôi khi vẫn gọi Fea). Thông số ô mạng của kiểu này phụ thuộc: trong khoảng 2,86- 2,93 A0, đặc biệt Fea có tính sắt từ ở nhiệt độ thấp hơn 7680C, sắt là vật liệu từ mềm, mật độ của Fea bằng 7,68g/cm3. . Mạng lập phương diện tâm tồn tại ở khoảng nhiệt độ 911-13920C được gọi là Feg, với thông số mạng ở 9110C khoảng 3,63A0, Feg có tính thuận từ và có mật độ 8,0-8,1g/cm3. Do mạng lập phương diện tâm có mật độ mạng Mv lớn hơn mạng lập phương thể tâm (74% so với 68%) nên khi nung nóng quá 9110C có chuyển biến thù hình Fea đFeg, thể tích sắt giảm 1%. - Nguyên tố các bon là nguyên tố á kim thuộc nhóm IV của hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học, có thể ở hai dạng thù hình: graphit và kim cương. Graphit là dạng thù hình ổn định, còn kim cương không ổn định .Trong hợp kim Fe-C, cácbon chỉ tồn tại ở dạng graphit mà không tồn tại ở dạng kim cương. Vì đường kính nguyên tử cácbon tương đối nhỏ, ở trạng thái tự do là 1,54A0, do đó chỉ có thể hoà tan vào mạng tinh thể sắt dưới dạng dung dịch rắn xen kẽ. Sắt và các bon tạo nên ba hợp chất hoá học Fe3C với 6,67%C, Fe2C với 9,67% C, và FeC với 17,67% C. Tuy nhiên các hợp kim của Fe với C được dùng với lượng C không cao lắm (ít hơn 5%) nên chỉ gặp hợp chất hoá học Fe3C tức xementit [5]. - Nguyên tố Si : Si có cấu tạo lớp vỏ ngoài cùng là 3s23p2, Si có hoá trị 4 , khi liên kết với nguyên tử khác tạo ra cấu trúc tứ diện đều. Si là nguyên tố thu hẹp vùng ổn định của Feg và nâng cao nhiệt độ chuyển pha g ô a [3]. Nếu sử dụng làm anốt thì độ tiêu hao khối lượng nhỏ. Tuy nhiên khi hàm lượng Si cao thì độ dẫn điện, độ bền cơ học, và mật độ dòng cho phép giảm xuống, năng lượng điện sẽ bị tiêu hao trên điện cực. - Nguyên tố Mn : là nguyên tố thuộc nhóm VII trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học. Thành phần của Mn ³ 0,80-1,00%, cũng như Si, Mangan làm tăng rất mạnh độ cứng (độ bền) song cũng làm mạnh độ dai (độ dẻo) của hợp kim. Mangan là nguyên tố ngoài khả năng hoà tan vào sắt còn có thể kết hợp với cacbon thành cacbít. Mn và Cr là hai nguyên tố tạo thành cacbít trung bình. Với lượng nhiều (>10%) Mn , Cr, Ni chúng làm thay đổi hẳn cấu hình của giản đồ Fe - C , đặc biệt sẽ làm thay đổi các khu vực của Ferit và Autenit [3]. - Nguyên tố Cr: thuộc nhóm VI trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học. Cr cũng có ảnh hưởng rất lớn tới cơ tính của thép hợp kim, hàm lượng của Cr ³ 0,50- 0,80%. - Nguyên tố Niken : cũng là một nguyên tố hợp kim điển hình, với thành phần Ni ³ 0,50- 0,80%, có cấu tạo lớp vỏ ngoài cùng là 3d84s2, bán kính nguyên tử là rNi=1,24 A0 rất gần với bán kính nguyên tử của Fe nên Ni khi hoà tan vào sắt thành dung dịch rắn một pha làm tăng độ bền của hợp kim Fe-Ni [5] . Trên đây là các nguyên tố hợp kim điển hình, hay gặp: Mn, Si, Cr, Ni. Khi hoà tan (ở dạng thay thế) vào Ferit các nguyên tố hợp kim làm xô lệch mạng, nên làm tăng độ cứng, độ bền, thường làm giảm độ dẻo, độ dẫn. ảnh hưởng của bốn nguyên tố hợp kim đến hai chỉ tiêu điển hình là độ cứng và độ dai. Có hai nhóm khác nhau: Mn và Si, Cr và Ni, hai nguyên tố Mn và Si làm tăng rất mạnh độ cứng song cũng làm giảm mạnh độ dai. Khi hàm lượng Si, Mn cao Ferit có độ dai thấp làm giòn thép không cho phép sử dụng. Còn Ni và Cr trong khi làm tăng độ cứng còn làm tăng độ dai. Trong thép hợp kim cao Ferosilic, thành phần của Si, Ni có ảnh hưởng lớn tới độ hoà tan anốt, tới hiệu qủa của quá trình bảo vệ cũng như xử lý nước thái. Sẽ tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên tố Ni tới tính chất của thép trong các phần tiếp theo. 3. 2. Công nghệ chế tạo vật liệu anốt Để chế tạo vật liệu từ các nguồn gốc khác nhau như kim loại, các hợp chất vô cơ, hữu cơ, và hỗn hợp giữa chúng với nhau có nhiều phương pháp gia công khác nhau để hình thành vật liệu. Đối vớị hợp kim chủ yếu được chế tạo bằng phương pháp nấu chảy nhiệt độ cao. Các nguyên liệu Fe, C, và các nguyên tố hợp kim dùng trong phương pháp này được nấu chảy theo thành phần và tính chất nhất định, sau đó gia công theo phương pháp kéo, cán thành sợi hay tấm, ống màng...[2]. Cơ sở của phương pháp nấu chảy ở nhiệt độ cao là dựa vào quan hệ thành phần và nhiệt độ để khổng chế chế tạo vât liệu có các pha cần thiểt trên các giản đồ hệ nóng chảy. Tuỳ theo chế độ công nghệ và thành phần hoá học có thể tạo ra các sản phẩm có tính chất phù hợp với mục đích sử dụng. Trong đó chế độ nhiệt luyện có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất của hợp kim. Mục đích của nhiệt luyện là để tạo cho hợp kim những tính chất cơ khí, vật lý, hoá học nhất định theo ý muốn. Với các yêu cầu kỹ thuật của anốt trơ như: có độ bền cơ, bền hoá cao, có độ tiêu hao nhỏ trong quá trình sử dụng, có điện trở nhỏ, tản nhiệt tốt, ít xảy ra phản ứng phụ, không nguy hiểm đến môi trường...Tất cả những tính chất này có thể thoả mãn bằng cách nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện. Các dạng nhiệt luyện chủ yếu bao gồm : ủ, thường hoá, tôi, và ram , còn hoá nhiệt luyện dùng cách thay đổi nhiệt độ và biến đổi thành phần hoá học ở bề mặt làm vùng này có biến đổi tổ chức tế vi và cơ tính mạnh hơn. Thép hợp kim cao Ferosilic, với thành phần các nguyên tố hợp kim thay đổi cũng được chế tạo bằng phương pháp nấu chảy ở nhiệt độ cao trong lò điện, lò cao tần nhiệt độ 14000C -15500C. Với chế độ xử lý nhiệt khác nhau được các vật liệu có tính chất khác nhau. 3.3. Cấu trúc của vật liệu Vật liệu là tập hợp các nguyên tử, phân tử hoặc các phần tử hợp thành. Cấu trúc trong vật liệu không chỉ là cấu trúc của các phân tử nối tiếp với nhau để tạo ra những pha có tính chất nhất định [2]. Thép hợp kim thường có cấu trúc tinh thể, các nguyên tử liên kết với nhau, sắp xếp theo một quy luật nhất định sẽ tạo ra các thông số cấu trúc đặc trưng, Có ba dạng cấu trúc tinh thể: lập phương tâm mặt kiểu A1, lập phương tâm khối kiểu A2, và lục phương xếp khít kiểu A3 [2] . Các nguyên tử kim loại có thể tương tác với nhau tạo thành dung dịch rắn, hợp chất hoá học hoặc các hỗn hợp. Các nguyên tử hoà tan được sắp xếp lại trong mạng lưới tinh thể dung môi theo hai kiểu khác nhau tương ứng với hai loại dung dịch rắn: thay thế và xen kẽ. Trong dung dịch thay thế các nguyên tử hoà tan chiếm chỗ hay thay thế vào đúng vị trí nút mạng của kim loại chủ. ở dung dịch rắn xen kẽ các nguyên tử hoà tan có kích thước bé hơn hẳn để có thể lọt vào lỗ hổng trong mạng của kim loại chủ. Trong thép hợp kim C là nguyên tố á kim có bán kính nguyên tử bé (0,077nm) có khả năng hoà tan xen kẽ vào các kim loại chuyển tiếp có bán kính nguyên tử lớn như Fe (0,1241nm) tạo ra hai dung dịch rắn xen kẽ điển hình autennit và mactenxit. Khi muốn tạo thành hợp kim với độ bền cao độ dẫn tốt thì thêm vào lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim. Giống như cácbon, các nguyên tố hợp kim khi đưa vào thép có hai tác dụng: hoà tan vào sắt thành dung dịch rắn và kết hợp với cácbon thành cacbít [6]. Khi hoà tan ở dạng thay thế vào Ferit, các nguyên tố hợp kim làm xô lệch mạng do đó làm tăng độ cứng, độ bền, thường làm giảm độ dẻo, độ dai. Khả năng tạo thành cacbít phụ thuộc vào số điện của phân lớp nd (3d, 4d, 5d), chỉ nguyên tố nào có số điện tử của phân lớp nd ít hơn của Fe (là 6) mới có khả năng tạo thành cacbít với cacbon. Tuỳ theo hàm lượng đưa vào mà có các pha cacbít khác nhau. Khi thép chứa một lượng ít (1-2%) các nguyên tạo cacbit trung bình và khá mạnh là Mn, Cr, Mo, W chúng hoà tan thay thế các vị trí nguyên tử Fe trong xementit tạo xementit hợp kim (Fe, Me)3C có tính ổn định cao. Với lượng lớn (>10%) Cr hoặc Mn ( có dc/dMn >0,59) chúng tạo nên với C loại cácbít với kiểu mạng phức tạp. Mangan khi hoà tan vào Ferit có tác dụng bền hoá pha này. Mn (đôi khi cả Cr, W) không tạo ra cácbít độc lập mà thay thế Fe trong Fe3C do ái lực với chỉ mạnh hơn so với Fe chút ít [3]. Cr, W là các nguyên tố tạo cácbít trung bình hoặc nằm trong xêmentít hợp kim hoặc tạo ra cácbít dạng phức tạp như Cr23C6, Cr7C3, Fe3W3C6 . Niken không tạo cácbít, tác dụng chủ yếu là tăng độ bền và độ dai va đập cho Ferit. Thép chứa trên 5% Ni giữ được độ dai tốt ngay cả ở nhiệt độ rất thấp [3]. Các nguyên tố như Si, Co không những không tạo cácbít mà còn ngăn cản C kết hợp với Fe và các nguên tố khác, thúc đẩy C ở dạng tự do hoặc làm thoát C khi nung thép [3]. Si là nguyên tố làm tăng rất mạnh độ cứng cũng như độ bền. Khi hợp kim hoá gang bằng các nguyên tố Si, Cr, Ni vượt qua một gới hạn xác dịnh, chúng sẽ làm thay đổi điện điện thế điện cực của các pha tạo ra một lớp màng oxyt làm thụ động hoá quá trình ăn mòn của chi tiết trong các môi trường hoạt tính. Trong bản đồ án này đã nghiên cứu phương pháp chế tạo thép hợp Silic cao, với thành phần Ni thay đổi và nghiên cứu khả năng hoạt động của nó trong các môi trường khác nhau. 3.4. Một số tính chất của vật liệu - Tính chất cơ lý của vật liệu Cơ tính của vật liệu được đánh giá bằng chịu lực tác động bên ngoài làm thay đổi hình dạng và trạnh thái của vật liệu. Mỗi loại vật liệu do nguồn gốc tạo thành từ các nguyên tố khác nhau, hình dạng cấu trúc khác nhau, các phương pháp công nghệ chế tạo khác nhau, do lực liên kết, do đó tính chất của vật liệu tạo thành cũng khác nhau [2]. Độ bền trong vật liệu phụ thuộc số phối trí, các lực liên kết để tạo ra hợp chất. Nếu chúng liên ._.