Vật liệu làm anot

tâm hàng đầu. Nghiên cứu tìm kiếm các loại vật liệu có tính năng cao, thuận tiện trong chế tạo, sử dụng góp phần đáng kể cho kỹ thuật sản xuất các chất vô cơ. Đặc biệt trong kỹ thuật bảo vệ catốt, điện phân xử lý nước thải, điện phân sản xuất hoá chất đã phải sử dụng một lượng lớn các loại vật liệu làm điện cực. Để bảo vệ các công trình kim loại bằng dòng điện ngoài có thể sử dụng nhiều loại vật liệu để chế tạo điện cực anốt như sắt thép vụn phế thải, chì, titan, graphít... Mỗi loại vật liệu đều có những hạn chế nhất định: sắt, thép vụn phế thải có độ hoà tan lớn, chì, hợp kim của chì thì độc hại trong quá trình chế tạo và sử dụng, titan có giá thành cao... Các loại vật liệu điện cực trên cũng được sử dụng trong kỹ thuật xử lý nước thải. Tuy nhiên do yêu cầu đặc biệt của công nghệ xử lý nước thải, việc nghiên cứu sử dụng chúng là vấn đề thu hút nhiều nhà xử lý môi trường. Với những mục đích yêu cầu sử dụng khác nhau cần phải tiếp tục nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu anốt thoả mãn yêu cầu và phạm vi ứng dụng cho nhiều môi trường khác nhau. Nghiên cứu để tăng đặc tính kỹ thuật vật liệu là vấn đề mà nhiều nhà kỹ thuật quan tâm đến. Độ bền và tính năng kỹ thuật của vật liệu làm điện cực là một trong những vấn đề gây ra nhiều khó khăn cho nhà sản xuất. Cho nên nghiên cứu các loại vật liệu điện cực anốt trơ sẽ góp phần mở ra khả năng dùng loại vật liệu bền cho kỹ thuật bảo vệ catốt và kỹ thuật điện phân. Thép Ferosilic là vật liệu có độ bền cơ, bền hoá cao được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp, trong kỹ thuật hoá học. Trong lĩnh vực điện hoá nó được nghiên cứu sử dụng làm điện cực anốt. Tính chất của loại vật liệu này phụ thuộc nhiều vào thành phần, cũng như hàm lượng các nguyên tố hợp kim đặc biệt là Si, Cr, Mn, Ni Để nâng cao đặc tính kỹ thuật phải chế tạo được vật liệu thép hợp kim Ferosilic có thành phần thích hợp. Trong luận văn này đã nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên tố niken đến tính chất của vật liệu này làm điện cực anốt dùng trong kỹ thuật điện hoá. Các kết quả nghiên cứu sẽ góp thêm một phần nhỏ trong việc lựa chọn vật liệu làm anốt. Phần I: Tổng quan i. vật liệu chế tạo Anốt trơ vật liệu chế tạo điện cực anốt đã được nghiên cứu từ lâu. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong thực tế, đặc biệt là trong công nghệ điện phân, bảo vệ các công trình kim loại, trong hệ thống tiếp địa chống sét, trong xử lý môi trường… Với yêu cầu kỹ thuật và công nghệ ngày càng phát triển thì vật liệu chế tạo điện cực anốt trơ ngày càng được tìm kiếm và lựa chọn với yêu cầu cao hơn. Các nhà khoa học, kỹ thuật đã nghiên cứu và đề xuất nhiều vật liệu làm điện cực có tính năng kỹ thuật cao, tuy nhiên vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu của nghành công nghệ này. Trong bảo vệ các công trình kim loại cũng như trong xử lý môi trường thì việc tìm kiếm, lựa chọn vật liệu điện cực thích hợp, phạm vi sử dụng rộng, giá thành rẻ là điều cần thiết đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, kỹ thuật. 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, ít phân cực, chịu được nhiệt độ cao - Công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành thấp, không nguy hiểm đối với môi trường và con người 2. Một số vật liệu chế tạo anốt Trước đây vật liệu anốt thường được dùng là sắt thép vụn phế thải, loại vật liệu này bị hòa tan nhiều trong quá trình sử dụng. Ngày nay các loại anốt tan đó được dùng không nhiều. Các vật liêu chế tạo anốt thường được dùng trong kỹ thuật bảo vệ catốt là: Graphit, Ferosilic, hợp kim Pb-Ag, manhêtít, compozit, thép, gang, Titan mạ Pt ... Các loại vật liệu điện cực này cũng được sử dụng trong kỹ thuật xử lý nước thải [10], [11]. Tuy nhiên do yêu cầu đặc biệt của công nghệ xử lý nước thải nên việc nghiên cứu sử dụng chúng là vấn đề đã thu hút nhiều nhà xử lý môi trường. Lựa chọn vật liệu điện cực anốt dùng trong công nghệ xử lý nước thải phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó cần chú ý đến sản phẩm hoà tan, giá thành xử lý, cũng như hiệu quả xử lý. Các loại vật liệu dùng làm điện cực anốt được đưa ra ở bảng I.1 Bảng I.1 Một số loại vật liệu dùng làm anốt Vật liệu Tổn thất khối lượng, kg/năm Môi trường Ta hay Nb mạ Pt 8.10-6 Biển, nước sinh hoạt, chất độn cácbon, chất lỏng rất sạch Ti mạ Pt 8.10-6 Môi trường nước biển và nước sinh hoạt Thép 6,8-9,1 Nước sinh hoạt, đất Ferosilic 0,25-1 Biển và chất độn cacbon Sắt Khoảng 9,5 Biển và chất độn cacbon Pb - Pt 0,09 Môi trường biển Pb - Ag 0,09 Môi trường biển Graphít 0,1-1 Môi trường biển, nước sinh hoạt - 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 được trong nhiều môi trường, nhưng 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. - Vật liệu 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/năm. Do vậy thời gian sử dụng dài, 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 từ lâu, do vật liệu sẵn có, chế tạo đơn giản, giá thành rẻ. Người 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, tiêu hao điện năng, hiệu quả kinh tế 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 bề mặt điện cưc anốt không nhiều, 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. 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 kim loại được nấu chảy lỏng với một hay nhiều nguyên tố phụ gia khác. Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là kim loại. Thành phần các nguyên tố hợp kim được biểu thị bằng số phần trăm trọng lượng của mỗi nguyên tố 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 cacbon nhỏ hơn 2,14% ta có thép hợp kim, nếu hàm lượng cacbon 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 người 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%[1], [5] - Nguyên tố cacbon 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, cacbon chỉ tồn tại ở dạng graphit mà không tồn tại ở dạng kim cương. Vì đường kính nguyên tử cacbon 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 [3], [5]. Sắt và cacbon 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 [5]. 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 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 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 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...[5]. Cơ sở của phương pháp nấu chảy ở nhiệt độ cao là dựa vào quan hệ thành phần và nhiệt độ để khống chế chế tạo vât liệu có các pha cần thiết 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. Chế độ xử lý nhiệt có ảnh hưởng lớn đến tính chất của hợp kim. Mục đích của xử lý nhiệt là 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 việc lựa chọn công nghệ chế tạo vật liệu và chế độ xử lý nhiệt thích hợp. Các dạng xử lý nhiệt 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 được chế tạo bằng phương pháp nấu chảy ở nhiệt độ cao trong lò cao tần nhiệt độ 14000C -15500C. 3.3. ảnh hưởng của thành phần đến 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 [1]. Mỗi loại vật liệu có cấu trúc đặc thù riêng. 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 [1]. 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 [3]. Giống như cacbon, 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 cacbon 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 tử 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 cacbit khác nhau. Khi thép chứa một lượng ít (1-2%) các nguyên tố 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 cacbit với kiểu mạng phức tạp [3]. Mangan khi hoà tan vào Ferit có tác dụng bền hoá pha này. Mn (đôi khi cả Cr, W) không tạo ra cacbit 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 cacbit trung bình hoặc nằm trong xêmentít hợp kim hoặc tạo ra cacbit dạng phức tạp như Cr23C6, Cr7C3, Fe3W3C6 . Niken không tạo cacbit, 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 cacbit mà còn ngăn cản C kết hợp với Fe và các nguyên 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 giới 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 khả năng hoạt động của vật liệu thép hợp kim Ferosilic với thành phần Ni thay đổi 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 khả năng chịu lực tác động của ngoại lực bên ngoài làm thay đổi hình dạng và trạng 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 trong vật liệu khác nhau, do đó tính chất của vật liệu tạo thành cũng khác nhau [1]. Độ bền trong vật liệu phụ thuộc số phối trí, các lực liên kết để tạo ra hợp chất. Nếu chúng liên kết với nhau có số phối trí càng lớn, thì độ đặc chắc của độ của vật liệu càng cao, độ nén của vật liệu càng lớn. Cấu trúc còn liên quan đến độ dẫn (nhiệt, điện). Khi thay đổi thành phần và dạng liên kết tạo ra các vùng năng lượng khác nhau làm cho tính dẫn của vật liệu cũng khác nhau và tạo ra vật liệu có điện trở suất r khác nhau. Nói chung thép hợp kim cao có độ bền cơ cao và độ dẫn tốt. Nếu vật liệu có cấu trúc đồng đều, kết tinh ở dạng hạt nhỏ, có lực liên giữa các nguyên tử lớn thì sự phá huỷ ở biên giới hạt tăng lên còn độ mài mòn cơ học giảm, vì sự phá huỷ vật liệu chủ yếu xảy ra ở biên giới giữa các pha. - Tính chất hoá học của vật liệu Tính chất hoá học của vật liệu được đặc trưng bằng khả năng phản ứng trong môi trường tồn tại. Khả năng phản ứng lại phụ thuộc yếu tố cấu trúc và lực liên kết tạo ra vật liệu. Khi năng lượng hoá học càng lớn thì vật liệu càng bền.Trong các môi trường xâm thực sự phá huỷ vật liệu có thể chỉ ở một dạng liên kết nào đó bị phá huỷ. Tính chất hoá học của vật liệu được đặc trưng bằng độ hoà tan của nguyên tố hoá học trong môi trường oxy hoá-khử. ở môi trường này trong vật liệu có hiện tượng oxy hoá và khử đi kèm nhau. Khả năng oxy hoá của các nguyên tố khác nhau, nguyên tố nào có độ âm điện càng cao thì khả năng oxy càng mạnh, độ hoà tan vật liệu càng lớn và càng kém bền, các nguyên tố có độ âm điện nhỏ thì khả năng oxy hoá ít hơn. Trong kỹ thuật điện phân thì vật liệu dùng làm anốt luôn phải chịu tải dòng tương đối lớn, anốt sẽ bị oxy hoá. Thông thường khi bảo vệ điện hoá thì mật độ dòng anốt khá lớn, cho nên vấn đề tản nhiệt, dẫn điện của vật liệu luôn được quan tâm tới. Khi thay đổi thành phần, hàm lượng các nguyên tố trong vật liệu thì độ dẫn nhiệt, dẫn điện của vật liệu thay đổi. Khi nghiên cứu một vật liệu cần quan tâm đến tất các tính chất của vật liệu đó. Tuỳ theo yêu cầu, chức năng sử dụng của vật liệu mà sẽ ưu tiên tính chất nào. khảo sát tìm kiếm vật liệu làm điện cực anốt trơ để có thể dùng vào các mục đích khác nhau : Bảo vệ các công trình kim loại ngầm trong đất, trong biển, trong kỹ thuật điện phân xử lý môi trường... là một điều cần thiết. Thép hợp kim Ferosilic được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Sau đây khảo sát một số ứng dụng của nó làm điện cực anốt trong kỹ thuật bảo vệ điện hoá và kỹ thuật xử lý môi trường. Trước hết cần tìm hiểu về sự phá huỷ kim loại, cũng như các phương pháp bảo vệ kim loại, đặc biệt là phương pháp điện hoá bằng dòng điện ngoài. Ii. Sự phá huỷ kim loại và một số phương bảo vệ kim loại Kim loại là vật liệu chủ yếu được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Mặc dù đã tìm được nhiều vật liệu thay thế như vật liệu polyme, compozit, gốm sứ… nhưng vật liệu kim loại vẫn đóng vai trò quan trọng, đặc biệt trong ngành công nghiệp sản xuất hoá chất, vật liệu, sản phẩm dầu khí thì hầu hết các thiết bị đều được chế tạo bằng kim loại. Cùng với việc sử dụng vật liệu kim loại thì vấn đề bảo vệ kim loại khỏi bị phá huỷ trong các môi trường xâm thực luôn được các nhà kỹ thuật quan tâm. Vì vậy nghiên cứu các loại vật liệu làm tăng tuổi thọ công trình cũng như các phương pháp bảo vệ kim loại là vấn đề thiết yếu trong công nghiệp. 1. sự phá huỷ kim loại sự phá huỷ kim loại do tác dụng hoá học hay điện hoá của môi trường xung quanh. Quá trình phá huỷ kim loại trong công nghiệp xẩy ra trong các điều kiện khác nhau và phụ thuộc vào bản chất vật liệu. Sự phá huỷ của kim loại bao gồm ba quá trình: - 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 thứ hai là qua 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 thứ ba là 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 Sự phá huỷ kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bản chất vật liệu kim loại, môi trường, nhiệt độ, pH các điều kiện động học khác trong đó bản chất vật liệu là yếu tố quan trọng mà nhiều nhà kỹ thuật quan tâm tới. * 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 vật liệu Những hợp kim nhiều pha, có khuyết tật nói chung kém bền vì các pha có điện thế khác nhau do đó hình thành các pin ăn mòn cục bộ. * yếu tố môi môi trường xung quanh kim loại ảnh hưởng của pH môi trường Khi pH thay đổi làm thay đổi điện thế điện cực dẫn đến thay đổi tốc độ phá huỷ của kim loại. Ngoài ra do pH thay đổi nên sản phẩm hoà tan có thể hoà tan hay tạo màng bảo vệ trên bề mặt điện cực làm thay đổi tốc độ phá huỷ kim loại ảnh hưởng của thành phần các chất trong môi trường Trong môi trường trung tính, các muối oxy hoá như KClO3, K2CrO4 làm cho kim loại thụ động, tốc độ phá huỷ bị kìm hãm, các anion tạo thành với ion kim loại muối không tan trên anốt và catốt làm giảm tốc độ hoà tan kim loại. ảnh hưởng của nồng độ khí Đa số các trường hợp kim loại bị phá huỷ 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 hoà tan kim loại 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 thay đổi. Tuy nhiên, do nồng độ hoà tan của oxy có thể giảm khi nhiệt độ tăng hoặc là sản phẩm tạo ra có tính bảo vệ thì tốc độ phá huỷ giảm xuống. Ngoài ra khi chế tạo thiết bị thì nếu các chi tiết trong thiết bị chế tạo không thích hợp sẽ gây phá huỷ tại các mối hàn, mối nối, các chỗ tù đọng... 3. một số 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 bảo vệ đạt hiệu quả cao. Một số 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 phá huỷ. 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. 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. 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 catốt bằng anốt hy sinh (protector) và bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài (trạm catốt). Bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài nguyên tắc của 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 anốt 4- Nguồn điện một chiều 5- Môi trường chất điện ly 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. Với các môi trường này phản ứng catốt là phản ứng phóng điện của O2. Người ta thường không bảo vệ trong môi trường axit vì H2 thoát ra làm giòn kim loại cần bảo vệ. 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 thì 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 rò, 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 quan hệ 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 bao quanh thiết bị kim loại Với các môi trường khác nhau, điện trở môi trường 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 nhiều đến quá trình anốt, và điện trở anốt, do vậy gây ảnh hưởng tới tổng trở của mạch. Như vậy trong quá trình bảo vệ kim loại bằng phương pháp dùng trạm catốt thì cần phải dùng vật liệu anốt để phân cực bằng dòng điện ngoài. Việc nghiên cứu chế tạo được vật liệu làm anốt đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật sẽ giải quyết tốt vấn đề bảo vệ thiết bị trong các môi trường khác nhau với hiệu quả cao. Ngoài ra các vật liệu anốt còn có thể được sử dụng cho xử lý nước thải hoặc điện phân sản xuất vật liệu hoá chất. Sau đây xem xét thêm một số ứng dụng của vật liệu điện cực anốt trong việc xử lý nước thải công nghiệp. IIi. Xử lý nước thảI bằng phương pháp điện hoá 1. nước thải Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sản xuất, sử dụng có chứa nhiều chất khác nhau và đã bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng. Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng. Có nhiều loại nước thải khác nhau, tuỳ theo nguồn gốc phát sinh, sau đây là vài loại nước thải phổ biến. - 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._.