Ăn Mòn Là Gì?
Ăn mòn là một quá trình tự nhiên khi kim loại tinh chế được chuyển đổi một cách tự nhiên sang dạng ổn định hơn như trạng thái oxit, hydroxit hoặc sunfua, điều này dẫn đến sự hư hỏng của vật liệu. Đó là sự phá hủy dần dần các vật liệu (thường là kim loại) bằng các phản ứng hóa học và/hoặc điện hóa với môi trường của chúng.
Khả năng của các quá trình điện hóa để phân hủy các hợp chất thành các nguyên tố hoặc tạo ra các hợp chất mới có thể mang tính phá hủy cũng như hiệu quả. Ăn mòn là kết quả quá phổ biến của các phản ứng điện hóa giữa vật liệu và các chất trong môi trường của chúng.
Ăn mòn là một vấn đề nguy hiểm và cực kỳ tốn kém. Vì nó, các tòa nhà và cây cầu có thể sụp đổ, đường ống dẫn dầu bị vỡ, nhà máy hóa chất bị rò rỉ và phòng tắm bị ngập lụt. Các điểm tiếp xúc điện bị ăn mòn có thể gây ra hỏa hoạn và các vấn đề khác, các thiết bị cấy ghép y tế bị ăn mòn có thể dẫn đến ngộ độc máu và ô nhiễm không khí đã gây ra hư hỏng do ăn mòn cho các tác phẩm nghệ thuật trên khắp thế giới. Ăn mòn đe dọa việc xử lý an toàn chất thải phóng xạ phải được lưu trữ trong các thùng chứa hàng chục nghìn năm.
Các loại ăn mòn phổ biến nhất là do phản ứng điện hóa. Ăn mòn nói chung xảy ra khi hầu hết hoặc tất cả các nguyên tử trên cùng một bề mặt kim loại bị oxy hóa, làm hỏng toàn bộ bề mặt. Hầu hết các kim loại đều dễ bị oxy hóa: chúng có xu hướng mất electron trước oxy (và các chất khác) trong không khí hoặc trong nước. Khi oxy bị khử (thu được electron), nó tạo thành oxit với kim loại.
Khi quá trình khử và oxy hóa diễn ra trên các loại kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau, quá trình này được gọi là ăn mòn điện. Trong hiện tượng ăn mòn điện phân, xảy ra phổ biến nhất trong các thiết bị điện tử, nước hoặc hơi ẩm khác bị mắc kẹt giữa hai tiếp điểm điện có điện áp đặt vào giữa chúng. Kết quả là một tế bào điện phân ngoài ý muốn.
Lấy một cấu trúc kim loại như Tượng Nữ thần Tự do. Nó trông mạnh mẽ và lâu dài. Tuy nhiên, giống như hầu hết các vật thể bằng kim loại, nó có thể trở nên không ổn định khi phản ứng với các chất trong môi trường và bị hư hỏng.
Ăn Mòn Hóa Học
Tính chất hóa học của sự ăn mòn rất phức tạp; nó có thể được coi là một hiện tượng điện hóa. Trong quá trình ăn mòn tại một điểm cụ thể trên bề mặt vật thể làm bằng sắt, quá trình oxy hóa diễn ra và điểm đó hoạt động như cực dương.
Các electron được giải phóng tại điểm anốt này sẽ di chuyển qua kim loại và đi đến một điểm khác trên kim loại và khử oxy tại điểm đó với sự có mặt của H+ (được cho là có sẵn từ H2CO3 được hình thành do sự hòa tan của carbon dioxide từ không khí vào nước trong điều kiện không khí ẩm của khí quyển.
Các ion hydro trong nước cũng có thể có sẵn do sự hòa tan của các oxit axit khác trong khí quyển). Điểm này hoạt động như một cực âm.
Nguyên Nhân Ăn Mòn
Kim loại bị ăn mòn khi phản ứng với một chất khác như oxy, hydro, dòng điện hoặc thậm chí là bụi bẩn và vi khuẩn. Ăn mòn cũng có thể xảy ra khi các kim loại như thép chịu áp lực quá lớn khiến vật liệu bị nứt.
Một số nguyên nhân chính và phổ biến gây ăn mòn như sau:
- Quá nhiều độ ẩm hoặc sự ngưng tụ hơi nước trên bề mặt kim loại là nguyên nhân chính gây ra sự ăn mòn.
- Các khí ăn mòn như clo, oxit hydro, amoniac, oxit lưu huỳnh, trong số những chất khác có thể dẫn đến ăn mòn các bộ phận của thiết bị điện tử, v.v. Ăn mòn cũng có thể xảy ra do tiếp xúc với hydro và oxy.
- Sự ăn mòn thép có thể xảy ra khi nó chịu áp lực quá lớn và vật liệu phát triển một vết nứt trên đó.
- Kim loại tiếp xúc với dòng điện trong thời gian dài có thể bị ăn mòn điện tử.
- Tiếp xúc với bụi bẩn và vi khuẩn có thể gây ra sự ăn mòn kim loại.
Ăn Mòn Sắt
Ăn mòn sắt là sự phá hủy vật liệu kim loại có chứa nguyên tố sắt (Fe) do phản ứng hóa học với oxy (O2) và nước ở môi trường xung quanh tạo ra oxit sắt màu đỏ thường gọi là rỉ sét. Rỉ sét cũng có thể ảnh hưởng đến các hợp kim sắt như thép.
Sự rỉ sét của sắt cũng có thể xảy ra khi sắt phản ứng với clorua trong môi trường thiếu oxy, trong khi rỉ sét màu xanh lá cây, một loại ăn mòn khác, có thể được hình thành trực tiếp từ sắt kim loại hoặc sắt hydroxit.
Ăn mòn sắt thường được đặc trưng bởi sự hình thành rỉ sét do quá trình điện hóa với sự có mặt của nước, oxy và dung dịch muối điện phân. Do đó, việc khắc phục một hoặc tất cả các nguồn phản ứng này có thể được sử dụng để giảm tốc độ ăn mòn ở một kim loại nhất định.
Khi sắt phản ứng với nước và oxy, sắt (II) hydroxit được hình thành. Chất thứ hai tiếp tục phản ứng với oxy và nước để tạo thành oxit sắt (III) ngậm nước – được biết đến rộng rãi là rỉ sét.
Các Loại Ăn Mòn
Có nhiều loại ăn mòn khác nhau có thể nhìn thấy bằng mắt thường:
- Ăn mòn đồng đều
- Ăn mòn cục bộ
- Sự ăn mòn điện
- Cracking môi trường
- Ăn mòn được hỗ trợ bởi dòng chảy và giữa các hạt
- Ăn mòn ma sát
- Ăn mòn nhiệt độ cao
- Ăn mòn đất
Đây là những loại ăn mòn phổ biến nhất, hãy giải thích cơ chế cơ bản của từng loại.
1. ĂN MÒN ĐỒNG ĐỀU
Ăn mòn đồng đều là dạng ăn mòn phổ biến nhất. Sự ăn mòn này xảy ra một cách tự nhiên khi thép cacbon bị hư hỏng thông qua phản ứng hóa học hoặc điện hóa với môi trường xung quanh làm hư hỏng toàn bộ bề mặt, ăn mòn ‘đồng đều’. Loại ăn mòn này phổ biến nhất nhưng có thể dự đoán được và có thể được quản lý bằng cách sử dụng các biện pháp phòng ngừa thích hợp.
2. ĂN MÒN CỤC BỘ
Ăn mòn cục bộ có nhiều biến thể, chẳng hạn như ăn mòn rỗ, ăn mòn kẽ hở và ăn mòn dạng sợi.
Ăn Mòn Rỗ
Ăn mòn rỗ, còn được gọi là rỗ, là một dạng ăn mòn cục bộ khác xảy ra trên bề mặt kim loại. Rỗ thường biểu hiện dưới dạng các hốc hoặc lỗ có đường kính nhỏ trên bề mặt vật thể trong khi phần còn lại của bề mặt kim loại vẫn không bị dính vào. Dạng ăn mòn này cũng có tính xuyên thấu cao và được coi là một trong những loại ăn mòn nguy hiểm nhất vì khó dự đoán và có xu hướng gây ra hư hỏng đột ngột và nghiêm trọng.
Rỗ thường bắt nguồn từ các khu vực trên bề mặt kim loại nơi tồn tại sự không nhất quán trong màng bảo vệ thụ động. Những sự không nhất quán này có thể là do màng bị hư hỏng, lớp phủ phủ kém hoặc cặn bẩn bám trên bề mặt kim loại.
Các khu vực mà tính thụ động bị giảm hoặc mất đi bây giờ trở thành cực dương trong khi các vùng xung quanh đóng vai trò là cực âm. Khi có độ ẩm, cực dương và cực âm tạo thành một tế bào ăn mòn trong đó cực dương (tức là những khu vực không được bảo vệ bởi màng thụ động) bị ăn mòn. Do sự ăn mòn chỉ giới hạn ở một khu vực cục bộ nên vết rỗ có xu hướng xuyên qua độ dày của vật liệu.
Đường Nứt Ăn Mòn
Ăn mòn kẽ hở là một loại ăn mòn cục bộ có tính xuyên thấu cao, xảy ra trong hoặc liền kề trực tiếp với các khoảng trống hoặc kẽ hở trên bề mặt kim loại. Những kẽ hở này có thể là kết quả của sự kết nối giữa hai bề mặt (kim loại với kim loại hoặc kim loại với phi kim loại) hoặc do sự tích tụ của cặn lắng (bụi bẩn, bùn, cặn sinh học, v.v.).
Kiểu ăn mòn này được đặc trưng bởi sự suy giảm diện tích của kẽ hở trong khi các khu vực xung quanh nền kim loại vẫn không bị ảnh hưởng. Một trong những tiêu chí chính cho sự phát triển của ăn mòn kẽ hở là sự hiện diện của nước đọng trong kẽ hở. Sự thiếu chuyển động của chất lỏng này dẫn đến sự cạn kiệt lượng oxy hòa tan và lượng ion dương dồi dào trong kẽ hở.
Điều này dẫn đến một loạt các phản ứng điện hóa làm thay đổi thành phần của chất lỏng và làm cho nó có tính axit. Chất lỏng có tính axit trong kẽ hở sẽ phá vỡ lớp thụ động của kim loại và khiến nó dễ bị ăn mòn.
Ăn Mòn Dạng Sợi
Sự ăn mòn này xảy ra dưới các bề mặt đã được sơn hoặc tráng. Các khuyết tật ở lớp sơn hoặc lớp phủ cho phép nước xâm nhập, từ đó gây ra sự ăn mòn bên dưới lớp bảo vệ, dẫn đến cấu trúc bị suy yếu.
3. ĂN MÒN ĐIỆN
Ăn mòn điện là kết quả của một tập hợp các điều kiện rất cụ thể. Nó chỉ được tìm thấy trong môi trường có các kim loại khác nhau về mặt điện hóa tiếp xúc điện cũng tiếp xúc với chất điện phân. Sự ăn mòn này xảy ra khi sự liên kết điện xảy ra giữa kim loại anốt và catốt. Cực dương bị ăn mòn nhanh hơn khi được ghép nối, trong khi cực âm bị ăn mòn chậm hơn.
4. ĂN MÒN DO MÔI TRƯỜNG
Quá trình ăn mòn này xảy ra khi phát sinh các điều kiện môi trường ảnh hưởng tiêu cực đến thép cacbon. Hóa chất, ứng suất và nhiệt độ có thể tạo ra các điều kiện tạo ra vết nứt do ăn mòn ứng suất (SCC), mỏi do ăn mòn, độ giòn kim loại lỏng và vết nứt do hydro gây ra.
5. ĂN MÒN HỖ TRỢ DÒNG CHẢY VÀ ĂN MÒN GIỮA CÁC HẠT
Ăn mòn do dòng chảy hỗ trợ xảy ra khi lớp oxit bảo vệ bị hòa tan theo thời gian bởi dòng gió hoặc nước. Sự ăn mòn này làm lộ ra oxit trên bề mặt kim loại, khiến các lớp tiếp theo bị ăn mòn thêm.
Ăn mòn giữa các hạt tấn công các ranh giới hạt của kim loại, thường là do tạp chất kim loại. Các tạp chất thường xuất hiện ở nồng độ cao hơn gần các ranh giới hạt này, khiến chúng dễ bị ăn mòn hơn.
6. ĂN MÒN MA SÁT
Kiểu ăn mòn này xảy ra khi trọng lượng, độ rung hoặc sự mài mòn lặp đi lặp lại gây ra các vết rỗ và rãnh trên bề mặt kim loại. Điều này xảy ra thường xuyên nhất ở các bộ phận máy móc đang chuyển động hoặc các bề mặt chịu rung động khi chúng được vận chuyển từ nơi này sang nơi khác.
4. ĂN MÒN Ở NHIỆT ĐỘ CAO
Ăn mòn ở nhiệt độ cao có thể xảy ra do quá trình oxy hóa, sunfua hóa hoặc cacbon hóa hoặc từ nhiên liệu có chứa vanadi. Sunfat cũng có thể tạo thành các hợp chất ăn mòn sẽ tấn công thép carbon thường chịu được nhiệt độ cao và ăn mòn.
8. ĂN MÒN ĐẤT
Sự ăn mòn đất được nhìn thấy khi thép carbon tiếp xúc với độ ẩm và oxy trong đất xung quanh. Đất có độ ẩm cao, độ dẫn điện cao, độ axit cao và lượng muối hòa tan cao là những loại đất có tính ăn mòn cao nhất.
Bởi vì thép carbon chiếm khoảng 85% tổng sản lượng thép trên toàn thế giới nên việc hiểu biết về những điều gây hại cho nó là điều cần thiết. Những nỗ lực để hiểu và quản lý sự ăn mòn thép cacbon có thể giúp giảm thiểu và giảm bớt chi phí cao liên quan đến mối quan tâm chung này.
Ảnh Hưởng Của Ăn Mòn
Một số tác động của sự ăn mòn bao gồm sự xuống cấp đáng kể của các di tích lịch sử và tự nhiên cũng như tăng nguy cơ hỏng hóc thiết bị thảm khốc. Ô nhiễm không khí gây ra sự ăn mòn và nó đang trở nên tồi tệ hơn trên toàn thế giới.
Chi phí ăn mòn kim loại hàng năm trên toàn thế giới được ước tính là hơn 2 nghìn tỷ USD, tuy nhiên các chuyên gia tin rằng 25 – 30% có thể được ngăn chặn bằng biện pháp bảo vệ chống ăn mòn thích hợp. Các dự án xây dựng được quy hoạch kém có thể dẫn đến cấu trúc bị ăn mòn cần phải được thay thế, gây lãng phí tài nguyên thiên nhiên và trái ngược với mối lo ngại toàn cầu về tính bền vững. Ngoài ra, ăn mòn có thể dẫn đến những lo ngại về an toàn, thiệt hại về nhân mạng, chi phí gián tiếp bổ sung và tổn hại đến danh tiếng.
Tác động trực tiếp của sự ăn mòn có thể bao gồm:
- Thiệt hại đối với máy bay thương mại hoặc thiết bị điện tử của xe
- Hư hỏng đĩa cứng và máy tính được sử dụng để kiểm soát các quy trình phức tạp (ví dụ: nhà máy điện, cơ sở hóa dầu hoặc nhà máy giấy và bột giấy).
- Thiệt hại cho phòng máy chủ và trung tâm dữ liệu.
- Thiệt hại về hiện vật bảo tàng
- Chi phí sửa chữa, thay thế các thiết bị trong gia đình bị hỏng hóc
Làm Thế Nào Để Ngăn Chặn Sự Ăn Mòn
Có một số cách hiệu quả về mặt chi phí để ngăn chặn sự ăn mòn bao gồm:
- Sử dụng kim loại không ăn mòn, chẳng hạn như thép không gỉ hoặc nhôm.
- Đảm bảo bề mặt kim loại luôn sạch sẽ và khô ráo.
- Sử dụng chất làm khô.
- Sử dụng chất phủ hoặc sản phẩm rào cản như mỡ, dầu, sơn hoặc lớp phủ sợi carbon.
- Đặt một lớp san lấp, ví dụ như đá vôi, bằng đường ống ngầm.
- Sử dụng cực dương hy sinh để cung cấp hệ thống bảo vệ catốt.
Bạn có thể ngăn chặn sự ăn mòn bằng cách chọn đúng:
- Loại kim loại
- Lớp phủ bảo vệ
- Các biện pháp môi trường
- Lớp phủ hy sinh
- Chất ức chế ăn mòn
- Sửa đổi thiết kế
1. Loại Kim Loại
Một cách đơn giản để ngăn chặn sự ăn mòn là sử dụng kim loại chống ăn mòn như nhôm hoặc thép không gỉ. Tùy thuộc vào ứng dụng, những kim loại này có thể được sử dụng để giảm nhu cầu bảo vệ chống ăn mòn bổ sung.
2. Lớp Phủ Bảo Vệ
Việc áp dụng một lớp sơn phủ là một cách hiệu quả để ngăn ngừa sự ăn mòn. Lớp sơn phủ hoạt động như một rào cản ngăn chặn sự truyền điện tích từ dung dịch ăn mòn sang kim loại bên dưới.
Một khả năng khác là áp dụng một lớp sơn tĩnh điện. Trong quá trình này, một loại bột khô được phủ lên bề mặt kim loại sạch. Kim loại sau đó được nung nóng để kết hợp bột thành một màng mịn không bị vỡ. Một số thành phần bột khác nhau có thể được sử dụng, bao gồm acrylic, polyester, epoxy, nylon và urethane.
3. Các Biện Pháp Môi Trường
Ăn mòn là do phản ứng hóa học giữa kim loại và khí trong môi trường xung quanh. Bằng cách thực hiện các biện pháp kiểm soát môi trường, những phản ứng không mong muốn này có thể được giảm thiểu.
Điều này có thể đơn giản như giảm tiếp xúc với mưa hoặc nước biển hoặc các biện pháp phức tạp hơn như kiểm soát lượng lưu huỳnh, clo hoặc oxy trong môi trường xung quanh. Một ví dụ về điều này là xử lý nước trong nồi hơi bằng chất làm mềm để điều chỉnh độ cứng, độ kiềm hoặc hàm lượng oxy.
4. Lớp Phủ Hy Sinh
Lớp phủ hy sinh bao gồm việc phủ kim loại bằng một loại kim loại bổ sung có nhiều khả năng bị oxy hóa hơn; do đó có thuật ngữ “lớp phủ hy sinh”.
Có hai kỹ thuật chính để đạt được lớp phủ hy sinh: bảo vệ catốt và bảo vệ anốt.
Bảo Vệ Cathode (catot)
Ví dụ phổ biến nhất về bảo vệ cathode là phủ kẽm bằng thép hợp kim sắt, một quá trình được gọi là mạ điện. Kẽm là kim loại hoạt động mạnh hơn thép và khi bắt đầu ăn mòn, nó sẽ tạo ra các oxit làm ức chế sự ăn mòn của thép.
Phương pháp này được gọi là bảo vệ catot vì nó hoạt động bằng cách biến thép thành cực âm của pin điện hóa. Bảo vệ catốt được sử dụng cho các đường ống thép dẫn nước hoặc nhiên liệu, bình đun nước nóng, thân tàu và giàn khoan dầu ngoài khơi.
Bảo Vệ Anode (anot)
Bảo vệ anode bao gồm việc phủ thép hợp kim sắt bằng kim loại ít hoạt động hơn, chẳng hạn như thiếc. Thiếc sẽ không bị ăn mòn nên thép sẽ được bảo vệ miễn là có lớp phủ thiếc. Phương pháp này được gọi là bảo vệ anot vì nó làm cho thép trở thành cực dương của pin điện hóa.
Bảo vệ anot thường được áp dụng cho bể chứa bằng thép cacbon dùng để chứa axit sunfuric và xút 50%. Trong những môi trường này, bảo vệ catot không phù hợp do yêu cầu dòng điện cực cao.
Chất Ức Chế Ăn Mòn
Chất ức chế ăn mòn là những hóa chất phản ứng với bề mặt kim loại hoặc các khí xung quanh để ngăn chặn các phản ứng điện hóa dẫn đến ăn mòn. Chúng hoạt động bằng cách bôi lên bề mặt kim loại, nơi chúng tạo thành một lớp màng bảo vệ. Các chất ức chế có thể được sử dụng như một dung dịch hoặc một lớp phủ bảo vệ bằng kỹ thuật phân tán. Chất ức chế ăn mòn thường được áp dụng thông qua một quá trình được gọi là thụ động.
Sự Thụ Động
Trong thụ động, một lớp phủ nhẹ của vật liệu bảo vệ, chẳng hạn như oxit kim loại, tạo ra một lớp bảo vệ trên kim loại hoạt động như một rào cản chống ăn mòn. Sự hình thành của lớp này bị ảnh hưởng bởi độ pH, nhiệt độ môi trường và thành phần hóa học xung quanh.
Một ví dụ đáng chú ý về sự thụ động là Tượng Nữ thần Tự do, nơi một lớp gỉ màu xanh lam đã hình thành để thực sự bảo vệ lớp đồng bên dưới. Chất ức chế ăn mòn được sử dụng trong các công trình lọc dầu, sản xuất hóa chất và xử lý nước.
Sửa Đổi Thiết Kế
Sửa đổi thiết kế có thể giúp giảm sự ăn mòn và cải thiện độ bền của bất kỳ lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn hiện có nào. Lý tưởng nhất là các thiết kế nên tránh bám bụi và nước, khuyến khích sự chuyển động của không khí và tránh các kẽ hở. Đảm bảo kim loại có thể tiếp cận được để bảo trì thường xuyên cũng sẽ tăng tuổi thọ.