Luận văn 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

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 nghiệp: là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động, có cả nước thải sinh hoạt nhưng nước thải công nghiệp là chủ yếu. Ngoài ra còn có nước thải rác ở các khu bãi rác thải - Nước thải đô thị: là loại nước trong hệ thống cống thoát 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, 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. xử lý nước thải bằng phương pháp điện hoá Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tái sử dụng nước cần phải có các biện pháp xử lý nước thải. Có nhiều phương pháp xử lý nước thải như xử lý cơ học, xử lý sinh học, xử lý hoá lý và xử lý điện hoá. Nhìn chung các phương pháp xử lý trên đều có thể làm cho nước thải sạch hơn để thải ra môi trường. Tuy nhiên khi trong môi trường có chứa chất mang màu như nước thải in nhuộn, nhà máy chế biến thực phẩm thì việc xử lý nước thải gặp nhiều khó khăn hơn, đôi khi không thể xử lý triệt để. Phương pháp đông tụ điện hoá là phương pháp có khả năng xử lý triệt để đối với loại nước thải có chứa chất hữu cơ, chất mang mầu đặc biệt nước thải rác và nước thải nhuộm. 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 quan trọng của phương pháp này là làm thoát 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. 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... 3. Vật liệu chế tạo anốt trong hệ thống điện phân xử lý nước thải Đối với quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp đông keo tụ điện hóa thì vật liệu làm điện cực anốt đóng vai trò quan trọng 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 [10], [11]. 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. Mặt khác khi dùng vật liệu anốt có chứa Fe thì quá trình hoà tan vi lượng ion Fen+ sẽ thực hiện quá trình oxy hóa penton trong dung dịch nước thải. Tuỳ thuộc vào quá trình oxy hoá khử và môi trường dung dịch nước thải tạo ra các ion Fen+ trong dung dịch được thực hiện tiếp tục phản ứng oxy hoá penton. Chúng tôi đã dùng vật liệu này để xử lý một số mẫu nước thải nhuộm, nước thải rích rác, nước chứa xăng dầu, ban đầu thu được kết quả tốt. 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 thích hợp nhất ứng dụng làm vật liệu anốt trong việc xử lý nước thải cũng như bảo vệ catốt đạt hiệu quả cao. iv. ảnh hưởng của môi trường đến độ bền của vật liệu điện cực anốt Trong hệ thống bảo vệ điện hoá dùng cho bảo vệ kim loại hay trong xử lý môi trường thì vật liệu dùng làm điện cực anốt có yêu cầu riêng của nó. Tuỳ theo mục đích sử dụng mà vật liệu làm điện cực anốt được nghiên cứu lựa chọn thích hợp. Thông thường trong các hệ thống bảo vệ catốt thì vật liệu làm điện cực anốt cần có độ hoà tan nhỏ, quá thế thoát khí lớn, tản nhiệt, dẫn điện tốt và ít bị phân cực, cũng như có độ bền cơ cao… Trong các hệ thống xử lý nước thải thì vật liệu dùng làm điện cực anốt có thể là loại vật liệu hoà tan, ít tan hay vật liệu không tan. Tuỳ từng môi trường cụ thể mà lựa chọn vật liệu thích hợp, đồng thời cần chú ý đến sản phẩm của quá trình hoà tan vì nó đóng vai trò quan trọng trong quá trình tạo bông keo làm sạch môi trường. Bản chất của môi trường rất quan trọng, là yếu tố đầu tiên được xem xét để lựa chọn phương pháp bảo vệ cũng như phương pháp xử lý thích hợp, lựa chọn vật liệu có đặc tính phù hợp với môi trường để hiệu quả sử dụng cao nhất. Phương pháp bảo vệ catốt bằng dòng ngoài chỉ được dùng để bảo vệ kim loại trong môi trường chất điện ly, như trong dung dịch hoặc dưới đất. Trong môi trường này ngoài độ dẫn điện, còn nhiều yếu tố khác như pH, nhiệt độ, tạp chất, khả năng thoát khí, chế độ thuỷ động ... cũng ảnh hưởng nhiều đến sự hoà tan của vật liệu làm điện cực anốt. Môi trường nước thải rất đa dạng như đã xét ở trên, các thành phần có trong nước thải bao gồm nhiều thành phần khác nhau của hợp chất hữu cơ, hợp chất mầu, đến các hợp chất vô cơ, các hợp chất này ảnh hưởng nhiều đến quá trình hòa tan của vật liệu. ở từng môi trường cơ chế hoà tan và sản phẩm của quá trình hoà tan vật liệu khác nhau. Phần II. Phần Thực Nghiệm I. Chế tạo điện cực anốt, môi trường nghiên cứu và các thiết bị dụng cụ đo 1. Chế tạo điện cực anốt Điện cực anốt Ferosilic được chế tạo bằng phương pháp nấu chảy nhiệt độ cao. Thành phần chính của thép hợp kim cao là Fe, các nguyên tố Si, Cr, Mn, Ni, C có hàm lượng lượng xác định, Ni có hàm lượng thay đổi từ 1-6% được chế tạo ở dạng hợp kim trung gian như Feromangan, Ferosilic và phụ gia được nấu chảy trong lò điện, lò cao tần nhiệt độ cao khoảng 15500C. Hợp kim nấu chảy được rót vào khuôn tạo mẫu, làm nguội, sau đó tháo khuôn gia công mẫu có kích thước khác nhau để sử dụng làm điện cực nghiên cứu. Trong nghiên cứu này cũng khảo sát tính chất của vật liệu anốt khi dùng chế độ xử lý nhiệt khác nhau bằng cách ủ đồng đều ở nhiệt độ 7000C rồi làm nguội tự nhiên. Trước khi nghiên cứu của tính chất vật liệu anốt trong môi trường NaCl 3% cần phải xử lý bề mặt theo các bước: khử dầu mỡ bằng dung dịch kiềm, rửa sạch bằng xà phòng, đánh sạch bề mặt bằng giấy nhám, rửa bằng nước sạch, nước cất, để khô, cân trước khi tiến hành thí nghiệm. Lược đồ quy trình công nghệ chế tạo vật liệu anốt trơ hợp kim cao như sau: Gia công mẫu có kích thước nhất định Nấu chảy Hợp kim trung gian Ferosilic Feromagan Phụ gia biến tính Thép Rót tạo khuôn Tháo khuôn Xử lý (nhiệt, gia công) Mẫu Hình II.1. Sơ đồ công nghệ chế tạo vật liệu anốt trơ - Điện cực catốt: dùng điện cực catốt là thép CT3. Bề mặt điện cực cũng được khử dầu mỡ bằng dung dich kiềm, rửa sạch bằng xà phòng, đánh sạch bề mặt bằng giấy nhám, rửa bằng nước sạch, tráng nước cất trước khi tiến hành thí nghiệm. 2. Môi trường nghiên cứu và các thiết bị dụng cụ đo Để nghiên cứu tính chất của vật liệu điện cực anốt, chúng tôi sử dụng môi trường là dung dịch NaCl 3%. Ngoài ra còn thử nghiệm trong môi trường axít. Từ các kết quả thu được trong các môi trường trên, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu trong môi trường nước rác thải ứng với một số mẫu có thành phần xác định để đánh giá khả năng hoạt động và hiệu quả xử lý nước thải. Hệ thống thiết bị dụng cụ đo bao gồm: Nguồn điện một chiều 100A-50V, biến trở thay đổi dòng điện, máy biến áp, đồng hồ miliampemét độ chính xác 10-3, đồng hồ milivonmet loại Digital Multimoter UNI-TM3800, cân phân tích loại precisa XT220A độ chính xác 10-4 gam, máy đo pH thuộc loại Denver instrument Basic với độ chính xác 10-2, thiết bị đo đường cong phân cực Potentiostat và các thiết bị phụ trợ, xác định hình thái bề mặt mẫu trên máy hiển vi điện tử NEOPHOT-I, thành phần pha được xác định trên máy nhiễu xạ tia X SIEMENS-D5000, các loại dụng cụ thuỷ tinh khác. II. Phương pháp nghiên cứu 1. Sơ đồ nguyên tắc hệ thống nghiên cứu tính chất vật liệu điện cực anốt trơ. Để tiến hành nghiên cứu tính chất của vật liệu anốt trơ chúng tôi đã dùng hệ thống gồm bình điện phân, điện cực anốt và điện cực catốt nhúng trong dung dịch NaCl 3% theo sơ đồ hình II.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thiết bị đo như sau Hình II.2. Sơ đồ nghiên cứu tính chất cuả vật liệu điện anốt trơ 1. Nguồn điện một chiều 100A-50V 2. Biến trở 3. Đồng hồ miliampemet 4. Đồng milivonmet 5. Điện cực catốt 6. Điện cực anốt 7. Điện cực so sánh calomen bão hòa 8. Bình điện phân 9. Dung dịch nghiên cứu 2. Phương pháp xác định tính chất và cấu trúc vật liệu * Quy trình thực nghiệm được tiến hành theo các bước - Chuẩn bị dung dịch nước muối 3%, lấy thể tích 1000ml - Chuẩn bị và làm sạch điện cực (anốt, catốt) - Chuẩn bị các dụng cụ, thiết bị đo - Tiến hành áp dòng ngoài ở các chế độ nghiên cứu với các mật độ dòng khác nhau - Điện cực anốt trước và sau khi thí nghiệm đem cân để xác định tổn thất khối lượng. Sản phẩm hoà tan được lọc, để khô, đem phân tích thành phần pha trên máy nhiễu xạ tia X Để xác định tính chất của vật liệu cần xác định nhiều thông số. Trong nghiên cứu này chúng tôi đã khảo sát độ tiêu hao anốt, độ ổn định điện thế, phương pháp đường cong phân cực nghiên cứu quá trình hoà tan của vật liệu anốt, khảo sát ảnh hưởng của mật độ dòng điện tới quá trình hoà tan, ảnh hưởng của pH, nhiệt độ và một số yếu tố khác. * Xác định độ tiêu hao điện cực anốt Điện cực anốt sau khi gia công xử lý được cân trước và sau khi thí nghiệm Độ tiêu hao anốt tính theo công thức: Dm = m1 - m2 ,(g) Trong đó : m1 là khối lượng anốt trước lúc thí nghiệm, (g) m2 là khối lượng anốt sau khi kết thúc thí nghiệm, (g) * Xác định biến thiên điện thế ổn định của thép Giá trị điện thế được xác định trên đồng hồ milivonmet với điện cực so sánh calomen bão hòa * Đo đường cong phân cực Để khảo sát khảo sát khả năng hoà tan của điện cực anốt đã sử dụng phương pháp đo đường cong phân cực trong dung dịch nước muối 3% theo sơ đồ : Hình II.3: Sơ đồ nguyên lý đo đường cong phân cực của điện cực nghiên cứu trong dung dịch NaCl 3% 1. Điện cực calomen bão hoà 2. Điện cực nghiên cứu (WE) 3. Điện cực platin phân cực (CE) 4. Biến trở 5. Thiết bị potentiostat 6. Dung dịch nghiên cứu 7. Bình điện phân * Xác định thành phần cấu trúc tế vi của vật liệu Tổ chức tế vi của vật liệu được xác định bằng máy hiển vi điện tử NEOPHOT-I Chúng tôi còn tiến hành xác định sự thay đổi của pH, nhiệt độ trong suốt quá trình thí nghiệm phần III. Kết quả và thảo luận I. ảnh hưởng của thành phần đến tổ chức thép hợp kim Ferosilic Hợp kim Ferosilic với thành phần chính là Fe, nguyên tố Fe có cấu trúc lập phương tâm mặt hoặc lập phương tâm khối tuỳ thuộc vào vùng nhiệt độ. Khi có C trong ô mạng Fe thì tạo thành các dạng lập phương chính tâm có độ bền cơ cao. Khi hợp kim hoá Fe bằng một lượng các nguyên tố hợp kim C, Cr, Si, Mn, Ni thì tổ chức của vật liệu thay đổi. Hợp kim có tổ chức một pha hạt to đồng nhất, có điện thế dưong hơn sẽ có độ bền hoá cao. Hợp kim có tổ chức nhiều pha hạt nhỏ không đồng nhất, nhiều biên giới hạt có điện thế âm hơn thì có độ bền hoá kém. Hợp kim Ferosilic được nghiên cứu với thành phần Fe, C, Cr, Si, Mn, Ni trong đó hàm lượng Si bằng 10%, hàm lượng Ni thay đổi từ 1- 6%, các nguyên tố khác không thay đổi. ảnh hưởng của hàm lượng Ni trong hợp kim đến tổ chức của hợp kim được trình bày ở hình III.1 Từ hình III.1 cho thấy khi hàm lượng Ni thay đổi thì tổ chức hợp kim thay đổi. Với hàm lượng Ni thấp các pha có hạt nhỏ, biên giới hạt nhiều nên hợp kim này có độ bền hoá kém. Hợp kim có hàm lượng Si 10%, Ni 4% tổ chức gồm hai pha: pha nền màu sáng là Ferit (Fe hoà tan C) và pha Fe2Si, Fe5Si3 mầu tối nằm ở biên giới hạt, hạt to hơn, ranh giới hạt rõ ràng hơn, hợp kim có độ bền hoá hơn. Tổ chức tế vi của hợp kim Ferosilic có 3% Ni (Độ phóng đại 500) Tổ chức tế vi của hợp kim Ferosilic có 4% Ni (Độ phóng đại 500) Hình III.1: Tổ chức tế vi của thép hợp kim Ferosilic Ii. ảnh hưởng của thành phần hợp kim đến độ bền hoá và độ bền cơ lý của thép Frosilic 1. ảnh hưởng của thành phần hợp kim đến điện thế ổn định của điện cực anôt thép hợp kim Ferosilic Điện thế ổn định là đại lượng đặc trưng cho tính bền hoá của vật liệu. Vật liệu có điện thế càng âm càng kém bền, vật liệu có điện thế dương hơn sẽ bền hơn trong cùng môi trường. Trên bảng III.1 trình bày ảnh hưởng của hàm lượng niken đến điện thế ổn định của vật liệu Ferosilic Bảng III.1 ảnh hưởng của hàm lượng niken đến điện thế ổn định của vật liệu Ferosilic trong dung dịch NaCl 3% Hàm lượng Ni (%) Điện thế ổn định (- mv) 1 400 2 370 3 312 4 257 6 203 Từ bảng III.1 cho thấy với hàm lượng Ni là 1% thì điện thế ổn định của nó trong dung dịch NaCl 3% là khá âm (– 400 mv) so với điện cực calomen bão hoà. Khi hàm lượng Ni tăng thì điện thế ổn định dịch chuyển nhiều về phía dương, với hàm lượng Ni là 4% thì điện thế ổn định của nó là - 257 mv có độ bền hoá tương đối cao, mức độ hoà tan nhỏ. 2. ảnh hưởng của thành phần hợp kim đến độ hoà tan của vật liệu thép hợp kim Vật liệu hợp kim được đưa vào nghiên cứu có thành phần Fe, C, Cr, Si, Mn xác định, hàm lượng Ni thay đổi từ 1-6%. Khảo sát độ hoà tan của hợp kim Ferosilic để đánh giá độ bền hoá học của nó chúng tôi đã sử dụng phương pháp áp dòng ngoài trong dung dịch NaCl 3%. Trên bảng III.2 chỉ ra quan hệ giữa hàm lượng Ni trong thép đến tiêu hao vật liệu anốt Ferosilic Bảng III.2: ảnh hưởng của hàm lượng Ni đến độ tiêu hao vật liệu Ferosilic trong dung dịch NaCl 3% ở mật độ dòng 200A/m2 Hàm lượng Ni (%) Độ tiêu hao anốt (g/cm2) 1 0,0036 2 0,0011 3 0,0010 4 0,0009 6 0,0016 Kết quả từ bảng III.2 cho thấy khi tăng hàm lượng Ni trong thép từ 1-4 % thì tiêu hao anốt thay đổi và giảm đáng kể. Tuy nhiên khi hàm lượng Ni tăng đến 6% thì độ tiêu hao anốt lại có xu hướng tăng lên nhiều. Như vậy độ tiêu hao của thép Ferosilic chỉ giảm trong khoảng có hàm lượng Ni thích hợp. Khi tăng hàm lượng Ni mà các phụ gia và chế độ công nghệ không thích hợp thì cấu trúc bề mặt vật liệu thay đổi gây ra sự hoà tan cục bộ dẫn đến tiêu hao anốt lớn trong quá trình sử dụng. Khảo sát ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt tới độ hoà tan vật liệu chúng tôi đã ủ một số mẫu ở nhiệt độ 7000C rồi làm nguội tự nhiên, sau đó đưa vào thí nghiệm. Độ hoà tan của hợp kim khi ủ ở 7000C được thể hiện ở bảng III.3. Bảng III.3: ảnh hưởng của hàm lượng Ni đến độ hoà tan vật liệu Ferosilic ủ ở 7000C trong dung dịch NaCl 3% với mật độ dòng 350A/m2 Hàm lượng Ni (%) Độ hoà tan (g/cm2) Không ủ ủ ở 7000C 3 0,0028 0,0117 4 0,0026 0,0104 Từ bảng III.3 cho thấy rằng chế độ xử lý nhiệt có ảnh hưởng đến tính chất hoà tan của vật liệu. Khi ủ ở 7000C thì độ hoà tan lại có xu hướng tăng lên. Điều này có thể là do khi ủ thì tổ chức của hợp kim thay đổi, cấu trúc trở nên đồng đều, hạt nhỏ hơn dẫn đến qúa trình hoà tan nhiều hơn. Do vậy với hợp kim Fe10SiNi không cần xử lý nhiệt. 3. ảnh hưởng của hàm lượng Ni đến điện thế làm việc của anốt trong hệ thống điện hoá Điện thế làm việc là thông số quan trọng cần được xác định trong quá trình bảo vệ kim loại cũng như xử lý nước thải. Trong trong nghiên cứu này điện thế làm việc được xác định trên thiết bị đo điện thế. Giá trị điện thế làm việc thay đổi khi thành phần hợp kim thay đổi cũng như khi áp các mật độ dòng điện khác nhau. Các giá trị điện thế làm việc được trình bày ở hình III.2, và III.3 Từ hình III.2, III.3 ta thấy ở mỗi giá trị mật độ dòng điện xác định các mẫu có hàm lượng Ni khác nhau sẽ có điện thế làm việc khác nhau. giá trị điện thế làm việc thường tăng lên khi tăng hàm lượng Ni. khi hàm lượng Ni tăng đến một giá trị nhất định (6%) thì điện thế làm việc lại có xu hướng giảm xuống. Hợp kim có hàm lượng Ni không đổi nếu tăng mật độ dòng điện thì điện thế làm việc tăng lên. Hàm lượng Ni càng lớn độ thay đổi điện thế làm việc càng nhiều, thể hiện ở hình III.4, III.5, III.6 ứng với hàm lượng Ni là 1%, 3%, 4% Điện thế làm việc là thông số phản ánh mức độ hoạt động của vật liệu. Khi tăng hàm lượng Ni thì mức độ hoạt động tăng, khả năng phân cực tốt. Khi tăng hàm lượng Ni vượt quá một giá trị nhất định thì độ hoạt động có xu hướng giảm xuống, điều này có thể là do với thành phần các chất phụ gia không đổi khi tăng hàm lưọng Ni trong hợp kim thì độ bền mối liên kết trong mạng tinh thể vật liệu giảm khi đó vật liệu dễ bị phá huỷ trong môi trường. Hình III. 2: biến thiên điện thế làm việc của anốt Ferosilic theo thời gian với mật độ dòng 200A/m2 Đường 1: hợp kim có 1% Ni Đường 3: hợp kim có 3% Ni Đường 2: hợp kim có 2% Ni Đường 4: hợp kim có 4% Ni Đường 5: hợp kim có 6% Ni Qua hình III.2 thấy rằng với cùng giá trị mật độ dòng điện 200A/m2, hợp kim có hàm lượng Ni từ 1-3% Ni có điện thế làm việc khá ổn định và ở giá trị dương hơn. Khi tăng hàm lượng Ni trong vật liệu lên điện thế làm việc ổn định ở giá trị khá âm. Tăng hàm lượng Ni lên 6% thì điện thế làm việc lại có xu hướng giảm. Hợp kim có 4% Ni có điện làm việc khá ổn định và có giá trị âm nhất, do vậy khả năng phân cực là tốt nhất. Hình III. 3: biến thiên điện thế làm việc theo thời gian của vật liệu anốt Ferosilic với mật độ dòng 400A/m2 Đường 1: hợp kim có 1% Ni Đường 3: hợp kim có 3% Ni Đường 2: hợp kim có 2% Ni Đường 4: hợp kim có 4% Ni Đường 5: Hợp kim có 6% Ni Qua hình III.3 thấy rằng ở giá trị mật độ dòng 400A/m2 cũng cho kết quả tương tự như ở mật độ dòng 200A/m2. ở mật độ dòng cao hơn điện thế làm việc tăng lên, các mẫu có hàm lượng Ni cao vẫn ở giá trị âm và ổn định hơn các mẫu có hàm lượng Ni thấp. Hình III.4: biến thiên điện thế làm việc theo thời gian của hợp kim Ferosilic có hàm lượng 1% Ni trong dung dịch NaCl 3% Đường 1: với mật độ dòng 100 A/m2 Đường 3: với mật độ dòng 300A/m2 Đường 2: với mật độ dòng 200A/m2 Đường 4: với mật độ dòng 350A/m2 Đường 5: với mật độ dòng 400A/m2 Khảo sát sự thay đổi điện thế làm việc ở các mẫu có hàm lượng Ni khác nhau, khi áp các mật độ dòng điên khác nhau. Qua hình III.4 thấy rằng hợp kim Ferosilic có 1% Ni, khi tăng mật độ dòng điện thì điện thế làm việc tăng. ở giá trị mật độ dòng điện 100-200A/m2 thì điện thế làm việc khá ổn định. Khi tăng mật độ dòng lên 400A/m2, điện thế tăng theo chiều âm, tuy nhiên mức độ ổn định kém hơn. Hình III.5: biến thiên điện thế theo thời gian của hợp kim Ferosilic có hàm lượng 3% Ni trong dung dịch NaCl 3% Đường 1: với mật độ dòng 100 A/m2 Đường 3: với mật độ dòng 300A/m2 Đường 2: với mật độ dòng 200A/m2 Đường 4: với mật độ dòng 350A/m2 Đường 5: với mật độ dòng 400A/m2 Khi hợp kim Ferosilic có 3% Ni thì ở mật độ dòng 100A/m2 điện thế làm việc không âm nhiều, có trị trung bình khoảng -1,21V. Khi tăng mật dộ dòng điện lên 300A/m2 thì điện thế làm việc có giá trị âm hơn, giá trị trung bình khoảng -2,33 V và khá ổn định. Nhưng khi tiếp tục tăng mật độ dòng lên 350A/m2, 400 A/m2 thì điện thế làm việc lại chuyền về giá trị dương hơn, điều này hơi khác với hợp kim có 1% Ni. Hợp kim có 3% Ni điện thế làm việ ổn định hơn ở các mật độ dòng. Hình III.6: biến thiên điện thế theo thời gian của hợp kim Ferosilic chứa hàm lượng 4% Ni trong dung dịch NaCl 3% Đường 1: với mật độ dòng 100 A/m2 Đường 3:với mật độ dòng 300A/m2 Đường 2: với mật độ dòng 200A/m2 Đường 4:với mật độ dòng 350A/m2 Đường 5:với mật độ dòng 400A/m2 Qua hình III.6 ta thấy hợp kim Ferosilic có 4% Ni có điện thế làm việc khá ổn định các mật độ dòng. Khi tăng mật độ dòng từ 100-350A/m2 thì điện thế làm việc tăng tỉ lệ với dòng điện. Tuy nhiên khi tăng lên mật độ dòng 400A/m2 thì điện thế làm việc lại chuyển về giá trị dương hơn và ổn định ở giá trị này. Chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm ở các mật độ dòng khá lớn là 900A/m2 và 2000A/m2 kết quả thu được trình bầy ở bảng III.4 và III.5. Bảng III.4:: ảnh hưởng của hàm lượng Ni đến điện thế làm việc ở mật độ dòng 900A/m2 Hàm lượng Ni(%) Thời gian(phút) 0 30 60 90 120 150 1 Điện thế làm việc –E(v) 2,14 2,60 3,32 3,55 2,60 2,45 2 2,13 3,92 3,52 4,07 3,75 3,72 Bảng III.5: ảnh hưởng của hàm lượng Ni đến điện thế làm việc ở mật độ dòng 2000A/m2 Hàm lượng Ni(%) Thời gian(phút) 0 30 60 90 120 150 180 4 Điện thế làm việc -E(v) 4,17 3,58 3,76 3,36 3,40 3,22 3,53 6 2,60 2,93 2,85 2,93 3,00 2,86 2,86 Qua bảng III.4 thấy rằng ở mật độ dòng 900A/m2 điện thế làm việc của hợp kim 1% Ni dương hơn so và không ổn định bằng hợp kim 2% Ni, do dó khả năng sử dụng của hợp kim này không hiệu quả. Từ bảng III.5 ta thấy hợp kim 4% Ni có thể làm việc ở mật độ dòng 2000A/m2 và có điện thế làm việc khá âm và ổn định hơn so với hợp kim có 6% Ni, đồng thời hợp kim này có độ hoà tan tương đối nhỏ. Do vậy vật liệu Ferosilic với 4% Ni có thể đáp ứng đựoc yêu cầu về độ tiêu hoa nhỏ, cung cấp mật độ dòng lớn, có điện thế làm việc khá ổn định, có thể dùng để bảo vệ các công trình kim loại, hoặc xử lý môi trường. 4. ảnh hưởng của hàm lượng Ni đến độ bền cơ lý của thép Ferosilic Ngoài các tính chất đã khảo sát thì độ bền cơ của vật liệu làm anốt cũng là vấn đề đáng quan tâm. Thông thường các điện cực phải làm việc trong điều kiện dòng chảy có va đập cơ học, chịu tác động của ngoại lực… cho nên cần có yêu cầu về độ bền cơ. Trên bảng III.6 giới thiệu quan hệ giữa độ cứng HRC và độ dẻo của thép hợp kim vào hàm lượng của Ni. Bảng III.6: ảnh hưởng của hàm lượng Ni tới độ cứng HRC và độ dẻo của thép hợp kim Ferosilic Hàm lượng Ni% 1 2 3 4 6 Độ cứng HRC 54 50 49 49 49 Độ dẻo(N/m2) 240 260 270 290 310 Qua bảng III.6 thấy rằng khi tăng hàm lượng Ni từ 1-6% thì độ cứng giảm không đáng kể, còn độ dẻo lại tăng lên khá nhiều. Đây là một tính chất quan trọng của Ni, nó là nguyên tố hợp kim tốt cho thép hợp kim. Khi chế tạo vật liệu sử dụng trong điều kiện chịu tác động của ngoại lực cần lưu ý tính chất này. Nguyên tố Ni có cấu tạo lớp vỏ ngoài 3d84s2, bán kính nguyên tử của Ni là rNi = 1,24 A0 gần với bán kính nguyên tử của Fe (rFe =1,26A0) do vậy Ni dễ dàng thay thế Fe tạo thành dung dịch rắn một pha làm tăng độ bền cơ của hợp kim Fe-Ni Đối với vật liệu Ferosilic khi có hàm lượng Si cao thì độ cứng của vật liệu tăng lên [5]. Tuy nhiên sự có mặt của Si trong vật liệu với hàm lượng cao luôn có khả năng gây ứng suất nứt, gẫy vật liệu. Việc chế tạo vật liệu có độ bền cơ cao là vấn đề đặt ra khi nghiên cứu chế tạo vật liệu anốt nhằm thoả mãn yêu cầu kỹ thuật. 5. ảnh hưởng của hàm lượng Ni đến đường cong phân cực Để khẳng định các kết quả về ảnh hưởng của hàm lượng Ni đến tính chất của vật liệu, chúng tôi đã xây dựng đường cong phân cực với hệ thống điện cực nghiên cứu là hợp kim Ferosilic có thành phần Ni khác nhau. ảnh hưởng của thành phần Ni trong vật liệu Ferosilic đến đường cong phân cực được trình bày trong hình III.7. Hình III.7: ảnh hưởng của hàm lượng niken trong hợp kim Ferosilic đến đường cong phân cực trong dung dịch NaCl 3% Đường 1, 1’: hợp kim có 3% Ni. Đường 2, 2’: Hợp kim có 4% Ni Đường 3, 3’: Hợp kim có 6% Ni Từ hình III.7 ta thấy rằng khi hàm lượng Ni tăng từ 3-4% độ phân cực của thép tăng lên, dòng hoà tan giảm, vật liệu ít bị phá huỷ. Tuy nhiên khi hàm lượng Ni tăng lên 6% thì độ phân cực lại giảm. tại giá trị Ek= -5 v có logic, 3%Ni=1,56 A/m2, logic, 4%Ni= 1,64 A/m2, logic, 6%Ni= 1,5 A/m2 Tại Ea= 3,5 v có logia, 3%Ni= 1,78 A/m2, logia, 4%Ni= 1,34 A/m2, logia, 6%Ni= 1,64 A/m2 như vậy tăng hàm lượng Ni ở mức độ nào đó độ bền điện hoá tăng, khi tăng qua một giới hạn thì độ bền điện hoá lại giảm. sự thay đổi này có thể do lớp màng sản phẩm hoà tan trong quá trình hoà tan quyết định. Hợp kim Ferosilic có hàm lượng Ni nhỏ thì độ hoà tan anốt khá lớn. Hàm lượng Ni trong vật liệu Ferosilic có ảnh hưởng nhiều đến độ bền điện hoá của vật liệu. Điều này được thể hiện trên đường cong phân cực, khi tăng hàm lượng Ni trong vật liệu thì có ảnh hưởng đến quá trình anốt nhiều hơn quá trình catôt. 6. Xác định tính chất vật liệu bằng phổ tổng trở Để xác định khả năng hoạt động và độ bền của vật liệu anôt Ferosilic chúng tôi đã đo phổ tổng trở của vật liệu trong dung dịch NaCl. Phổ tổng trở được xây dựng trong một điều kiện nhất định với hai vật liệu hợp kim có hàm lượng Ni khác nhau, trong một tần số nhất định. Kết quả phổ tổng trở Bode của hợp kim Ferosilic với thành phần Ni khác nhau được thể hiện ở hình III.8 Hợp kim Ferosilic 6% Ni Hợp kim Ferosilic 2% Ni Hình III.8. Phổ tổng trở Bode của hợp kim Ferosilic Từ hình III.8 ta thấy rằng khi thay đổi hàm lượng Ni trong vật liệu thì phổ tổng trở thay đổi. Các đường quan hệ giữa góc pha- tần số và tổng trở- tần số khi hàm lượng Ni thấp cho thấy gần như xảy ra một quá trình. Khi hàm lượng Ni tăng thì xảy ra hai quá trình nhưng không đơn thuần là hai quá trình rõ ràng mà khá phức tạp, góc pha của hợp kim 6% Ni biến đổi lớn hơn hợp kim có 1% Ni. Quá trình hoà tan anốt sẽ tạo ra sản phẩm trên bề mặt anốt làm ảnh hưởng sự hoạt động tiếp theo của vật liệu, ảnh hưởng của điện trở phân cực đến hoạt động của vật liệu. Tổng trở của hợp kim có 6% Ni biến đổi phức tạp, hoà tan nhiều hơn. III. ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ bền hoá của vật liệu Độ hoà tan của thép hợp kim còn phụ thuộc mật độ dòng điện và sản phẩm tạo thành trên bề mặt. 1. ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ hoà tan thép hợp kim Để khảo sát ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ hoà tan thép hợp kim chung tôi đã tiến hành áp dòng ở các giá trị mật độ dòng khác nhau và xác định độ tổn thất khối lượng của vật liệu anốt. ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ hoà tan vật liệu được trình bày trong bảng III.5 Bảng III.5: ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến tổn thất khối lượng với các hàm lượng Ni khác nhau trong thép hợp kim Fe10SiNi Mật độ dòng điện (A/m2) Tổn thất khối lượng ∆ m (g/cm2) 2% Ni 3% Ni 4% Ni 6% Ni 100 0.0006 0.0002 0.0001 0.0002 200 0.0011 0.0010 0.0009 0.0026 300 0.0028 0.0024 0.0025 0.0032 350 0.0042 0.0028 0.0026 0.0042 400 0.0066 0.0041 0.0037 0.0068 Qua bảng III.4 cho thấy khi tăng mật độ dòng điện thì với tất cả các mẫu có hàm lượng Ni khác nhau đều có độ hoà tan tăng lên. Nguyên nhân có thể do quá trình oxy hoá hoà tan kim loại Me - ne " Men+.nH2O ở điện cực anốt xảy ra nhanh hơn Khi tăng mật độ dòng điện thì tăng độ phân cực catốt tức là dịch chuyển điện thế điện thế điện cực về phía âm hơn so với điện thế ổn định khi đó đạt đến điện thế bảo vệ kim loại và quá trình bảo vệ các công trình kim loại tốt hơn. Tuy nhiên trong bảo vệ các công trình kim loại cũng như trong xử lý nước thải cần chọn đươc mật độ dòng thích hợp để tiết kiệm điện năng, tránh sự hoà tan lãng phí vật liệu anốt để nâng cao hiệu quả các quá trình điện hoá. Chúng tôi đã khảo sát sự phụ thuộc của tiêu hao khối lượng anốt vào độ tăng mật độ dòng điện, kết quả thu được trên bảng III.6 . Bảng III.6: ảnh hưởng của độ tăng mật độ dòng điện tới độ tăng tổn thất khối lượng Độ tăng mật độ dòng A/m2 Độ tăng tổn thất khối lượng ∆m (g/cm2) 2%Ni 3%Ni 4%Ni 6%Ni 100-200 0.0005 0.0008 0.0008 0.0014 200-300 0.0017 0.0014 0.0016 0.0016 300-350 0.0014 0.0004 0.0001 0.001 350-400 0.0024 0.0013 0.0011 0.0026 300-400 0.0038 0.0017 0.0012 0.0036 Từ bảng III.6 thấy rằng khi tăng mật độ dòng điện từ 100-200A/m 2 và từ 200-300A/m 2 thì độ tiêu hao khối lượng ở các mẫu là xấp xỉ bằng nhau. Khi tăng mật độ dòng điện ở giá trị lớn hơn từ 300-400A/m2 độ tiêu hao khối lượng ở các mẫu có độ chênh lệch nhiều, hợp kim có 2% và 6% Ni có độ hoà tan nhiều hơn hợp kim có 2% và 3% Ni. Như vậy khi tăng mật độ dòng điện ở giá trị thấp thì độ tiêu hao anốt tỉ lệ với mật độ dòng điện, độ tiêu hao anốt ít phụ thuộc vào hàm lượng Ni trong hợp kim. Hợp kim Ferosilic Fe10Si4Ni có độ hoà tan nhỏ nhất khi tăng mật độ dòng điện ở các giá trị khác nhau. 2. ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến điện thế làm việc của thép ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến điện thế làm việc được trình bày ở hình III.3, III.4, III.5. Qua các hình thấy rằng ở mật độ dòng nhỏ (đường 1) thì điện thế làm việc khá ổn định ở giá trị dương. Khi tăng mật độ dòng điện lên 350 - 400 A/m2 thì điện thế ít ổn định và có giá trị khá âm. Qua bảng III.5 thấy rằng ở mật độ dòng khá lớn là 2000A/m2 nhưng vật liệu Ferosilic 4% Ni có điện thế làm việc khá ổn định ở giá trị âm. Mật độ dòng điện còn có ảnh hưởng đến pH cuả môi trường điện phân. Môi trường nghiên cứu là nước biển tương đương với dung dịch NaCl 3% có pH ban đầu là 6, ở các mật độ dòng khác nhau, pH của môi trường là khác nhau. Khi tiến hành thử nghiệm ở mật độ dòng từ 100- 400A/m2, với hợp kim có1-2% Ni thì độ thay đổi pH không nhiều từ 6Š5, với hợp kim có 3-6% Ni thì pH có xu hướng giảm xuống từ 6Š3 môi trường sau điện phân có tính axit. Thử nghiệm ở mật độ dòng 2000A/m2 thì với hợp kim có 1-2% Ni, pH của môi trường lại giảm có xu hướng giảm nhiều từ 6Š2, với hợp kim có 3-6% Ni lại có giá trị gần như không đổi. Sự thay đổi pH có thể do ở các mật độ dòng khác nhau có phản ứng thoát O2: 4OH- - 4e Š O2 +2H2O, phản ứng thoát H2: 2H+ -2e ŠH2 , hoặc phản ứng 2Cl- -2e ŠCl2 xảy ra với tốc độ khác nhau, ngoài ra còn có thể do sản phẩm hoà tan anốt sắt- silic cao trong môi trường Cl- là Fe(OH)2, Fe(OH)3, FeCl2, FeCl3, Fe2O3, Fe3Si, Fe2Si… ở các hàm lượng Ni khác nhau và mật độ dòng khác nhau có thể xốp, hoà tan vào môi trường hay khó tan, bám sít vào bề mặt anốt làm thay đổi tốc độ hoà tan anốt cũng như các phản ứng thoát O2, H2, Cl2 dẫn đến pH thay đổi. Như vậy với quá trình bảo vệ catốt thấy rằng khi mật độ dòng thay đổi thì sản phẩm, pH thay đổi. Điều này cần phải chú ý đến để chọn được mật độ dòng thích hợp để pH ổn định. V. một số kết quả ứng dụng vật liệu anôt ferosilic bảo vệ công trình kim loại và xử lý nước thải bằng phương pháp điện hoá 1. Bảo vệ công trình kim loại Để nghiên cứu khả năng bảo vệ công trình kim loại bằng phương pháp điện hoá chúng tôi sử dụng môi trường nước biển tương đương với dung dịch NaCl 3%. Kim loại cần bảo vệ (điện cực catốt) là thép C45 nối với cực âm của nguồn một chiều, điện cực anốt là thép Ferosilic nối với cực dương của nguồn một chiều. Tiến hành áp mật độ dòng khác nhau từ 100 - 2000A/m2. Sau một thời gian nhất định kết thúc thí nghiệm, chúng tôi nhận thấy điện cực catốt được bảo vệ khá tốt, không bị tiêu hao khối lượng, không bám sản phẩm của quá trình hoà tan. Đối với vật liệu điện cực anốt Ferosilic Fe10Si4Ni: - Khi dùng dòng điện phân cực với mật độ dòng 800-1000A/m2 thi anốt hoạt động bình thường. Độ hoà tan thấp khoảng 1876g/m2ngày. - Tăng mật độ dòng điện lên đến 1500A/m2 khi đó anốt nóng lên nhiều nhưng độ hoà tan anốt thay đổi không nhiều khoảng 2117g/m2ngày. - Khi thử với mật độ dòng 1800- 2000A/m2, điện cực làm việc ở chế độ nhiệt cao, vật liệu bị hoà tan không nhiều, cỡ khoảng 3241g/m2ngày. Trong bảo vệ kim loại bằng phương pháp dùng dòng điện ngoài thì tỷ lệ diện tích điện cực anốt và catốt là một yếu tố cần phải quan tâm, vì trong thực tế các công trình kim loại cần bảo vệ có diện tích bề mặt khá lớn. Trong nghiên cứu này điện cực catốt có diện tích không đổi, điện cực anốt có diện tích khác nhau. Tỷ lệ diện tích điện cực anốt - catốt như sau: Mẫu điện cực anốt Tỷ lệ diện tích SA/SC 1 0,0537 2 0,0947 3 0,0968 4 0,0903 6 0,0874 Như vậy diện tích của điện cực anốt có thể rất nhỏ so với công trình kim loại cần bảo vệ. Với những công trình kim loại có kích thước lớn như các đường ống dẫn dầu, dàn khoan, các thiết bị tàu biển...bằng phương pháp trạm catốt phân cực bằng dòng điện ngoài thì bề mặt điện cực anốt yêu cầu không lớn vẫn cho hiệu quả cao, do vậy hệ thống bảo vệ tránh được sự cồng kềnh. Vật liệu Ferosilic với diện tích điện cực nhỏ nhưng có khả năng cung cấp mật độ dòng anốt tương đối lớn. ở mật độ dòng điện lớn nhiệt toả ra làm điện cực nóng lên nhiều nhưng vật liệu không bị nứt vỡ. Điều này có ý nghĩa lớn khi cần sử dụng trong yêu cầu có mật độ dòng lớn. Với khả năng chịu được nhiệt độ cho phép loại vật liệu này làm việc được điều kiện nhiệt độ cao, như trong các thiết bị trao đổi nhiệt, ở các nhà máy nhiệt điện, ở các nồi hơi... 2. Xử lý nước thải Chúng tôi đã tiến hành xử lý một số mẫu nước thải rác, nước thải nhuộm, nước thải chứa xăng dầu bằng phương pháp điện hoá, sử dụng điện cực anốt là vật liệu thép hợp kim Ferosilic có hàm lượng Ni 4%. Với dung dịch nước thải rác thử ở mật độ dòng 500A/m2, thời gian điện phân là 20 phút. Với dung dịch nước thải nhuộm thử ở mật độ dòng 500A/m2, thời gian điện phân là 10 phút. Với dung dịch nước thải chứa xăng dầu, thử ở mật độ dòng 500A/m2, thời gian điện phân 15 phút. Kết quả cho thấy rằng vật liệu anốt Ferosilic có thể xử lý điện hoá làm mất của dung dịch, nước thải rác, nước thải nhuộm, chỉ số tách mầu khoảng 78-80%. Kết quả thu được trên hình III.9, III.10, III.11 Để quá trình xử lý đạt hiệu quả cao cần khảo sát nhiều thông số khác như môi trường chất điện ly, mật độ dòng anốt, thời gian điện phân, phụ gia... Tuy nhiên vì điều kiện thời gian không cho phép, bước đầu thăm dò chúng tôi khẳng định rằng có thể dùng Ferosilic để điện phân xử lý nước thải mang mầu. Trong đó vai trò của Ferosilic cao như là một loại vật liệu anốt trơ có khả năng cung cấp mật độ dòng lớn, chịu được nhiệt độ cao, độ hoà tan nhỏ vật liệu Ferosilic hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu trong xử lý nước thải. 2 1 Hình III.9: Nước rác thải trước và sau xử lý 1- Trước xử lý 2- Sau xử lý 3 2 1 HìnhIII.10: Nước thải nhuộm trước và sau xử lý - Trước xử lý 2.3 - Sau xử lý 4 3 1 2 HìnhIII.11: Nước thải rác và nước thải chứa xăng dầu trước và sau xử lý 1- Nước thải rác trước xử lý 2.3 - Nước thải rác sau xử lý 4.- Nước thải chứa dầu sau xử lý kết luận Trên cơ sở các các kết quả thực nghiệm rút ra các kết luận sau: 1. Vật liệu Ferosilic có chứa một hàm lượng Ni làm tăng tính chất của vật liệu. Khi thay đổi hàm lượng Ni thì độ bền của vật liệu thay đổi. Tăng hàm lượng Ni từ 1-4% thì độ hoà tan giảm, tiếp tục tăng hàm lượng Ni lên 6% thì độ hoà tan tăng lên. độ bền hóa của vật liệu Ferosilic cao với hàm lượng Ni 4%. 2. Đối với các mẫu có hàm lượng Ni xác định, khi tăng mật độ dòng điện thì độ hoà tan vật liêu tăng lên. Khi tăng mật độ dòng điện ở giá trị thấp thì độ tăng độ tiêu hao anốt tỉ lệ với mật độ dòng điện, và ít phụ thuộc vào hàm lượng Ni trong hợp kim. 3. Tăng hàm lượng Ni trong thép thì độ cứng giảm không đáng kể, nhưng độ dẻo lại tăng mạnh. Ni là nguyên tố cải thiện tốt độ dẻo của hợp kim. 4. Khi áp dòng ngoài với mật độ dòng tăng lên thì điện thế làm việc tăng theo chiều giá trị âm. Thành phần Ni lớn độ thay đổi điện thế làm việc càng nhiều. ở mỗi giá trị mật độ dòng xác định điện thế làm việc tăng khi hàm lượng Ni tăng từ 1-4%, sau dó giảm nếu tiếp tục tăng lượng Ni. Hàm lượng Ni tốt nhất là 4%. 5. Với thành phần Ni thích hợp 4% có thể sử dụng làm điện cực anốt để xử lý nước thải hoặc dung trong bảo vệ các công trình kim loại. Vật liệu này có độ bền cơ, bền hoá cao, có khả năng sử dụng ở nhiệt độ cao trong các môi trường khác nhau. Kết quả này cho phép mở ra hướng thay thế vật liệu siêu bền làm điện cực anốt với giá thành thấp, thuận tiện, mang lại hiệu quả kinh tế cao. Để sử dụng vật liệu này dùng làm điện cực cho xử lý nước thải, bảo vệ công trình kim loại cần phải nghiên cứu nhiều yếu tố ảnh hưởng khác để chọn chế độ xử lý, bảo vệ và thành phần hợp kim thích hợp hơn. Tài liệu tham khảo 1. La Văn Bình, Khoa học và công nghệ vật liệu, Trường ĐHBKHN, 2000. 2. Trần Thị Hiền, La Văn Bình, Lê Đức Tri, ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaCl và mật độ dòng anốt đến độ hoà tan vật liệu Ferosilic, tạp chí công nghiệp nặng, 1994. 3. Lê Công Dưỡng, Vật liệu học, Nhà xuất bản KH và KT, 2000. 4. Trương Ngọc Liên, ăn mòn và bảo vệ kim loại, Nhà xuất bản KH và KT, 2000. 5. Nghiêm Hùng, Kim loại học và nhiệt luyện, Nhà xuất bản ĐH và THCN, 1979. 6. Nghiêm Hùng, Giáo trình vật liệu học, Nhà xuất bản KH và KT, 1999. 7. Trương Ngọc Liên, Điện hoá lý thuyết, Nhà xuất bản KH và KT, 2000. 8. Schulze và Phan Lương Cầm, ăn mòn và bảo vệ kim loại, Trường Đại Học Báck Khoa Hà Nội, 1984. 9. Đào Đình Thức, Cấu tạo nguyên tử và liên kết hoá học, Nhà xuất bản KH và KT, 1977. 10. Trần Văn Nhân, Nguyễn Thị Ngà, Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, Nhà xuất bản KH và KT, 2002. 11 . Trần Thị Hiền, Nguyễn Ngọc Lân, Nguyễn Thị Lan Phương, Trường Đại Học Báck Khoa Hà Nội, Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải bằng phương pháp điện hoá, Tạp chí báo lao động, tháng 4-2005. 12. . Mars. G. Fontana, Corrosion Engineering, Interbook Company, London, 1983. 13. Gelling. P.J, Introduction to Corrosion Prevention and Control for Engineer, Delf University, the Netherland 14. Harry. R A, Kenneth, J.W, Inorganic and organnometallic polymesII Advanced Materrial and Intermediates, Amercan, 1993. 15. George Tchobanoglous, Franklin L. Burton, Wastewater Engineering, London 1991. 16. Dereck Pletchor, Frank C.Walsh, Industrial Electrochemistry, 1993. 17. Mark. J. Hammer, Waster and Waster Technology, Macmillan, 1995.