CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI Leave a comment

Công nghệ điện hóa được dựa trên cơ sở các quy luật lí thuyết về sự chuyển hóa năng
lượng hóa học và điện với thông số đặc trưng là mật độ dòng và điện thế cũng như được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp năng lượng và pin nhiên liệu, luyện kim màu và vật liệu chức năng, sản xuất hóa chất và thuốc, chống ăn mòn và bảo vệ kim loại. Công nghệ điện hóa hiện đại cũng đang định hướng vào nano điện hóa và điện li plasma, hứa hẹn những ứng dụng mới cho tương lai không xa.

Giới thiệu

Điện hóa là một ngành khoa học kết hợp giữa hai lĩnh vực điện và hóa học nhằm nghiên
cứu các quy luật về sự chuyển hóa qua lại giữa điện năng và hóa năng. Tuy ngành khảo cổ đã tìm thấy hiện vật pin điện hóa hệ Cu-Fe từ khoảng 250 trước công nguyên trên lãnh thổ Irak, nhưng chỉ đến cuối thế kỉ 18 và đầu thế kỉ 19 những cơ sở định lượng của lí thuyết điện hóa mới được hình thành với những phát minh về tác dụng hóa học của điện. Các nhà bác học tiêu biểu như Adriaan Paets van Troostwijk và Johann Rudolf Deiman (1789) phát hiện được O2 và H2 khi phân hủy nước bằng điện và đề xuất thuyết điện li nước; Luigi Galvani (1791) hình thành học thuyết tĩnh điện khi thí nghiệm kim loại tiếp xúc với cơ đùi ếch và các sinh vật khác; Alessandro Volta (1793) công bố về dãy thế của các kim loại từ thí nghiệm điện được tạo ra bởi sự tiếp xúc các kim loại và “cột pin Volta” để tạo được điện thế cao hơn; Humphry Davy điện phân muối nóng chảy tìm ra nguyên tố Na, K đã được dự đoán trước và 1826 đưa ra lí thuyết điện hóa về ăn mòn kim loại cũng như Michael Faraday (1831) phát minh 2 định luật được mang tên ông về sự tương quan giữa lượng chất với lượng điện cũng như đương lượng điện hóa.

Cùng với quá trình hoàn thiện dần các lí thuyết điện hóa về sự điện li và dung dịch điện li
, thế điện cực và động học điện hóa các quá trình điện cực các hướng nghiên cứu công nghệ điện hóa và phát triển ứng dụng cũng đã được đẩy mạnh nghiên cứu tạo nên các ngành công nghiệp có tác động thúc đẩy sự phát triển của kinh tế xã hội. Những phát minh các loại nguồn điện pin và ắc quy đã cung cấp năng lượng độc lập với mạng điện làm cơ sở cho sự phát triển vũ bảo của công nghiệp điện tử cũng như ngành giao thông vận tải. Các linh kiện điện hóa (Chemotronik) được hình thành và phát triển khi ứng dụng các quy luật điện hóa của quá trình điện cực và ion còn làm phong phú hơn cho công nghiệp điện tử và y sinh điện tử.
Tương tự dựa vào quá trình điện phân muối nóng chảy hoặc dung dịch điện li nước công
nghiệp luyện kim sản xuất các kim loại màu, công nghiệp điện phân, tổng hợp điện hóa sản xuất nhiều hóa chất cơ bản cho các ngành công nghiệp. Công nghệ điện hóa bề mặt như mạ, biến tính cũng như chống ăn mòn kim loại cũng đã đóng góp to lớn làm đẹp, làm bền và làm tăng chất lượng các dạng sản phẩm của nhiều ngành công nghiệp khác nhau . Phân tích định tính cũng như định lượng thành phần và tính chất của các chất và các vật liệu cũng được dựa trên cơ sở của lí thuyết điện hóa. Ngày nay – kỉ nguyên của vật liệu và công nghệ nano, sự đóng góp của công nghệ điện hóa cũng tỏ rõ những lợi thế để chế tạo các dạng vật liệu nano phục vụ cho các ngành khoa học và công nghệ.

CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA

Công nghệ là một phạm trù được xem xét bao hàm từ các cơ sở lí thuyết, các kĩ thuật thực hành, các trang thiết bị, máy móc và lĩnh vực ứng dụng rộng rãi để sản xuất tạo ra của cải vật chất cho xã hội. Công nghệ điện hóa cũng được hình thành và phát triển từ cơ sở lí thuyết về các quy luật điện hóa, các kĩ thuật và những trang thiết bị cũng như các lĩnh vực ứng dụng rộng rãi để tạo ra của cải vật chất đóng góp vào sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và kinh tế xã hội cho nhân loại đặc biệt từ thế kỉ 18 đến nay.

Thiết bị, vật liệu của công nghệ điện hóa

Các thiết bị của công nghệ điện hóa đơn giản hơn nhiều so với các công nghệ hóa học
do các quá trình phản ứng điện cực được thực hiện chủ yếu ở áp suất thường và phần lớn ở nhiệt độ không cao. Cấu hình của loại thiết bị điện hóa cũng đơn giản, chủ yếu là khối hộp chữ nhật dễ kết cấu dạng môdul. Các thiết bị cung cấp năng lượng điện cho công nghệ điện hóa cũng như cho phân tích dựa trên cơ sở lí thuyết điện hóa cũng rất thuận lợi để điện tử hóa và tin học hóa vì có quan hệ đến các thông số điện và điện tử như dòng, thế, điện trở, điện dung. Các dạng nguồn điện chủ yếu là dòng 1 chiều, hoặc các dạng dòng xung vuông, tam giác đối xứng hoặc bất đối xứng cũng như phối hợp các dạng dòng. Vì vậy công nghệ điện hóa cũng như phân tích điện hóa có thể dễ dàng tự động hóa.
Các vật liệu được sử dụng trong công nghệ điện hóa rất đa dạng tương ứng với các mục
đích và yêu cầu khác nhau. Yêu cầu chung với các dạng vật liệu là phải bền hóa học, điện
hóa, bền ăn mòn, bền nhiệt và bền cơ nhưng dễ gia công, dễ tạo hình và giá hợp lí. Đối với các vật liệu làm điện cực yêu cầu quan trọng là phải dẫn điện tử tốt, có khả năng xúc tác các phản ứng điện hóa anốt hoặc catốt. Vật liệu anốt hòa tan được sử dụng phổ biến trong công nghệ mạ, sản xuất pin, ắc quy, luyện kim, tinh luyên kim loại. Vật liệu anốt trơ trơ được đặc biệt chú ý nghiên cứu, cải tiến và hoàn thiện nhằm tăng hiệu quả và hiệu suất các quá trình công nghiệp điện phân, phân tích. Vật liệu mang các chất xúc tác điện hóa cũng được nghiên cứu sử dụng để làm tăng hiệu quả các quá trình điện cực và giảm giá thành của vật liệu điện cực.Vật liệu chế tạo các thiết bị phản ứng điện hóa ngược lại phải cách điện tốt vì vậy khi sử dụng các vật liệu kim loại có độ bền cơ học cao thì phải phủ bằng các vậ liệu cách điện. Vật liệu làm màng ngăn cách giữa anốt và catốt phải dẫn điện ion tốt hoặc dẫn ion chọn lọc nhưng tuyệt đối không dẫn electron. Vật liệu dùng làm dung dịch điện li dạng lỏng, nóng chảy hoặc rắn cũng phải dẫn điện ion tốt, có nhiệt độ nóng chảy thấp và không tương tác với các chất trong hệ điện hóa

Phân tích điện hóa

Các thiết bị phân tích điện hóa nhằm phân tích định tính hoặc định lượng thành phần và
các chất đã đóng góp cho sự phát triển của hóa học phân tích cũng như cho quá trình công nghệ. Các phương pháp phân tích điện hóa thường được hình thành theo các nhóm :

I = 0, I <> 0 =const, E = const, E = f(i), và xung. Sự phụ thuộc cần phải xác định của các phương pháp trên là: thế điện cưc vào nồng độ E = f(c), hoặc logarit nồng độ E = f(lgc), vào thể tích dung dịch E =f(V), vào thời gian E = f(t), hoặc vi phân thế điện cực vào thời gian f (t), vi phân điện thế vào thể tích f (V ) hoặc vi phân điện thế hai lần vào thể tích. Sự phụ thuộc của dòng hoặc mật độ dòng vào nồng độ i = f(c), vào thể tích i = f(V), vào thời gian vào điện thế i = f(E) cũng được chú ý khảo sát. Ngoài ra sự phụ thuộc độ dẫn điện vào nồng độ æ = f(c) vào thể tích æ = f(V) hoặc sự phụ thuộc của điện lượng, điện dung, tổng trở và lượng chất vào quá trình phản ứng điện cực cũng được khai thác. Các phương pháp phân tích điện hóa luôn được chú ý nghiên cứu cải tiến nhằm tăng độ nhạy, độ chọn lọc, tốc độ và đồng thời nhiều chất, nhiều mẫu bằng các kĩ thuật điện hóa, cơ học và đặc biệt là điện tử và tin học.

Phương pháp phân tích cực phổ cổ điển do J. Heyrovski đã được phát triển nhờ quá trình kết hợp với cơ, điện tử và tin học để hình thành hàng loạt các phương pháp cực phổ hiện đại nhằm tăng tốc độ, độ chính xác và đặt biệt tăng độ nhạy đến hàng triệu lần nhờ ứng dụng kĩ thuật dòng xung để loại bỏ được dòng điện dung khỏi dòng Faraday trong phân tích động học phản ứng. Các thiết bị phân tích điện hóa cũng được sử dụng để phục vụ đắc lực cho các quá trình điều khiển và tự động hóa trong công nghệ điện hóa nhằm kiểm soát và điều chỉnh: pH môi trường, độ dẫn điện, điện áp và nồng độ các chất tham gia vào các phản ứng điện cực

Lĩnh vực ứng dụng

Công nghệ nguồn điện pin, ắc quy sản xuất và chứa năng lượng

Các loại nguồn điện dùng để sản xuất hoặc chứa đựng năng lượng điện rất cần cho các
lĩnh vực thắp sáng, cơ động hóa, điều khiển tự động hóa và điện tử hóa. Ngày nay nguồn điện hóa học các dạng có mặt quanh ta ở khắp mọi nơi từ dụng cụ gia đình, phương tiện thông tin liên lạc, phương tiện giao thông cơ động và hàng không vũ trụ, các máy móc đo đạt đến trò chơi giải trí. Từ khi pin Volta ra đời 1800 nhiều phát minh về các dạng nguồn điện ngày càng phong phú nhằm đáp ứng các yêu cầu khác nhau của khoa học kĩ thuật kinh tế và an ninh quốc phòng .
Những dấu ấn quan trọng có thể nhận thấy là gia đoạn đầu của những phát minh về các hệ nguồn điện như: 1859 G. Plante’ với ắc quy chì, 1864 G. Leclanche’ với pin khô hệ
Zn/NH4Cl/MnO2/C, 1901 E. V. Junger và T.A. Edison với ắc quy kiềm hệ Cd/KOH/NiOOH và Fe/KOH/NiOOH, 1951 G.Neumann với ắc quy hệ Cd/KOH/NiOOH kín khí. Giai đoạn tiếp theo là quá trình cải tiến, phát triển, hoàn thiện công nghệ, thiết bị chế tạo các loại nguồn từ mức độ thủ công đến tự động hoàn toàn các công đoạn sản xuất để nâng cao năng suất, hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Từ giữa thập niên 60 của thế kỉ trước đến nay pha phát triển mới của nguồn điện nhằm vào những ắc quy có công suất lớn với các hệ điện cực có điện thế cách xa nhau (bảng 2) như natri, liti với lưu huỳnh, clo hoặc flo (bảng 3). Với những ưu điểm về điện áp, dung lượng riêng cao thuận tiện cho quá trình vi hình hóa các thiết bị điện tử, đặc biệt là điện thoại di động. Những năm gần đây nguồn điện hóa học cũng là lĩnh vực ứng dụng rất có hiệu quả của vật liệu và công nghệ nano.

Nguồn điện hóa học được phân thành 3 loại:

loại 1 là pin dùng 1 lần nên công nghệ sản xuất phải đơn giản để sản xuất được số lượng lớn và giá thành rẻ như pin Leclanche’.

Nguồn điện loại 2 là ắc quy được sử dụng khi phóng điện và lúc nạp để tích điện, thực chất chỉ dùng để chứa điện nên phải sử dụng được nhiều chu kì do vậy công nghệ chế tạo rất đa dạng. Ngày nay công nghệ chế tạo các loại ắc quy có dung lượng cao với kim loại kiềm như Li rất hoạt động, nhạy với không khí và độ ẩm nên điều kiện công nghệ chế tạo rất đặc biệt.

Nguồn điện loại 3 là pin nhiên liệu (PNL) [30] với các chất phản ứng điện cực được bổ sung liên tục như nhiên liệu trong các động cơ xăng. Nhiên liệu được sử dụng có thể dạng khí, hơi như: H2, CO, NH3, SO2, formaldehit, metan,… hoặc dạng lỏng như etanol, metanol, hydrazin, khí hóa lỏng hoặc hổn hống các kim loại natri.

Sản xuất năng lượng điện từ các hợp chất hóa học trong pin và PNL có nhiều lợi thế như
sạch, không tiếng ồn, giảm thiểu hoặc kiểm soát được ô nhiễm. Đặc biệt hiệu suất cao khi sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng hóa học trong PNL do quá trình phản ứng điện cực còn có thể thu nhiệt từ môi trường (bảng 2).

Bảng 2. Thế điện cực tiêu chuẩn E 0,V của một số kim loại tại 25oC

Bảng 3. Các giá trị nhiệt động và hiệu suất (lt ) của quá trình sản xuất điện bằng PNL

Tuy PNL Pt,H2/O2,Pt đã được W.R. Grove phát minh khá sớm từ 1839 và được thường
xuyên chú ý nghiên cứu nhằm sản xuất điện thu được hiệu suất cao hơn các phương pháp sản xuất điện hiện hành khác, song thực tế do tốc độ phản ứng điện hóa bị hạn chế và việc sử dụng xúc tác kim loại quý giá thành rất cao nên cho đến ngày nay PNL vẫn chưa đạt được thành quả như các sản phẩm pin và ắc quy khác. Việc tìm kiếm các xúc tác rẻ hơn cho động học phản ứng 3 pha đối với cả hai quá trình anốt và catốt để thay thế các kim loại Pt quý, hiếm như: Ag,Ni, N2B, WC, than hoạt tính, spinelle CoAl2O4, phtalocyanine, tetraazaanmulene và đặc biệt thập niên gần đây sử dụng vật liệu nano càng làm tăng hơn nữa diện tích và hoạt hóa xúc tác điện hóa của các điện cực. Tuy nhiên PNL đến nay vẫn chưa thành thương phẩm như các loại nguồn điện khác mà vẫn còn là những mẫu mô hình thử nghiệm ở các quy mô: động cơ PNL cho các loại xe ôtô, tàu ngầm hoặc các trạm phát điện thử nghiệm công suất đến 26 MW. Đặc biệt PNL Pt,H2/O2,Pt có giá trị thực tiễn rất cao với ngành du hành vũ trụ và tàu ngầm vì có thể vừa tạo được năng lượng vừa tạo được nước sử dụng cho mọi sinh hoạt của con người. Tàu ngầm PNL của công ty Howaldtswerke Deutsche Werft tuy công suất tối đa mới chỉ đạt 400 mã lực (300 kW) chỉ bằng 13 % so với động cơ điezen và 2 % so với động cơ tàu ngầm hạt nhân, song lại còn có ưu thế không phải sử sử dụng ôxy để đốt nhiên liệu, không gây tiếng ồn nên được xem
như tàu ngầm “tàng hình”. Hơn nữa trong tương lai khi kinh tế năng lượng hyđrô có vị trí thay thế các nguồn nhiên liệu hiện tại thì PNL sẽ có vai trò rất quan trọng trong quy trình sản xuất, chứa và vận chuyển phân phối năng lượng. Nhiều quá trình sản xuất hóa chất cũng có thể thực hiện được trên các điện cực của PNL có hiệu suất và giá thành đáp ứng để vừa thu các hóa chất vừa thu được năng lượng điện.

Ở nước ta công nghệ chế tạo nguồn điện điện hóa mới chỉ tập trung sản xuất pin Zn/MnO2 với sản lượng năm 2010 gần 450 triệu viên và ắc quy chì với năng suất năm 2010 gần 2 triệu kWh. Tuy đã chú ý cải tiến công nghệ sản xuất để đa dạng thêm sản phẩm như ắc quy khô, kín khí nhưng chất lượng vẫn chưa so sánh được với sản phẩm nhập ngoại và chủng loại còn rất hạn chế nên chưa thõa mãn được nhu cầu rất phong phú của các ngành kinh tế và an ninh quốc phòng trong thời đại điện tử hóa, tự động hóa và điện khí hóa ngày nay.

Công nghệ chế tạo kim loại, luyện kim

Sản xuất các kim loại bằng công nghệ điện hóa (thủy luyện) có thể thực hiện được cho hầu hết các kim loại của bảng hệ thống tuần hoàn là ưu điểm nổi bật so với công nghệ hỏa luyện chủ yếu cho sắt thép. Ngoài ra phương pháp thủy luyện khá đơn giản lại cho hiệu suất cao và độ tinh khiết của sản phẩm cao cũng như rất thuận tiện cho cả 2 quá trình điều chế và tinh luyện. Luyện kim điện hóa được thực hiện chủ 2 môi trường dung dịch nước và chất điện li muối nóng chảy. Điện phân các kim loại từ dung dịch nước phổ biến trên thế giới là: Zn, Cu, Sn,Sb, Pb, Cd, Au, Ag, Cu, … Ngay cả các kim loại nhóm phóng xạ như Pu, U cũng được làm giàu bằng công nghệ điện hóa. Ở nước ta trong những thập niên gần đây cũng đã triển khai công nghệ điện phân các kim loại ở các quy mô phân xưởng đến nhà máy như: Điện phân Zn, Sn, Pb ở Thái Nguyên, Cu ở Sinh Quyền. Điện phân trong môi trường muối nóng chảy thường để điều chế các kim loại rất hoạt hóa của các nhóm 1 như Li, Na, K; nhóm 2 như Be, Mg, Ca, Sr; nhóm 3 như Al, Sc; nhóm các kim loại chuyển tiếp và nguyên tố đất hiếm như: Ti, Zr, Nb, Ta. Sản xuất nhôm bằng công nghệ điện hóa điện phân Al2O3 trong cryolit đã làm cho giá nhôm trước đây hơn 100 năm còn đắt hơn vàng nay đã thành một nguyên liệu rất thông dụng cho nhiều ngành công nghiệp từ dân dụng đến hàng không, vũ trụ . Với tiêu hao điện đã giảm khoảng 10 kWh/kg Al (lí thuyết 6,34 kWh/kg) và chiếm 30 % giá thành sản phẩm các trung tâm luyện nhôm đã chuyển từ Đức trước thế chiến thứ 2 sang Mỹ sau 1945 và sẽ đến những nơi có nguồn bôxít dồi dào và giá điện rẻ như từ nguồn thủy điện. Ngày nay hàng ngày thế giới có thể sản xuất trung bình từ 64.400 tấn đến hơn 70.000 tấn, trong đó sản lượng nhôm của Trung Quốc đã chiếm hơn 40 % tổng sản lượng của toàn thế giới.
Nước ta có nguồn thủy điện và tài nguyên khá phong phú để phát triển công nghệ điện phân muối nóng chảy như quặng bôxit, titan điôxit, các nguyên tố đất hiếm và muối biển… để sản xuất các kim loại Al, Ti, Zr, Mg, Na,.. Tuy nhiên công nghệ điện phân muối nóng chảy cũng cần chú ý đảm bảo môi trường và môi sinh để cho sự phát triển được bền vững.

Công nghệ sản xuất nguyên liệu, hóa chất

Bằng công nghệ điện hóa có thể sản xuất được nhiều hóa chất vô cơ và hữu cơ.
Điển hình của công nghệ điện hóa là công nghiệp điện phân NaCl để sản xuất các hóa chất cơ bản NaOH, Cl2 và HCl là những nguyên liệu rất quan trọng cho nhiều ngành công nghiệp khác như hóa chất, nhựa, thủy tinh silicát, tẩy rửa, luyện kim. Nhiều hóa chất vô cơ là các chất oxihóa mạnh như H2O2, KMnO4, MnO2, PbO2, H2S2O8, KClO3, KClO4,… đều được sản xuất có hiệu quả nhờ công nghệ điện hóa. Bằng quá trình phản ứng điện hóa trực tiếp hoặc gián tiếp qua các sản phẩm trung gian trên điện cực đã làm phong phú và mở rộng khả năng sản xuất nhiều hóa chất hữu cơ, đặc biệt cho ngành dược
Khả năng phản ứng (oxihóa-khử) của những hợp chất vô cơ và hữu cơ trên các điện cực
cũng được sử dụng cho công nghệ xử lí ô nhiễm môi trường rất có hiệu quả, đặc biệt cho môi trường nước và ô nhiễm bỡi các kim loại nặng. Sử dụng công nghệ điện li không gian điên cực hẹp có và không dùng màng ngăn các dung dịch anotlyt và catotlyt với nhiều nhóm gốc tự do giả bền có điện thế oxyhóa-khử mạnh đến ± 900 mV cũng đang được ứng dụng có hiệu quả trong xử lí các môi trường nước và khí.

Công nghệ bề mặt

Công nghệ điện hóa cũng tác động vào bề mặt vật liệu hoặc sản phẩm để biến đổi, cải thiện hoặc bổ sung những tính chất, chức năng tốt hơn như: bền hóa học, bền cơ học, tăng độ cứng, độ bóng, khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt, chống thấm ướt,… Thực hiện phản ứng catốt tạo các lớp phủ kim loại lên bề mặt kim loại hoặc phi kim loại tạo nên ngành công nghiệp mạ điện đã được phát triển rất sớm. Thực hiện quá trình anốt đối với các kim loại chủ yếu nhằm biến tính tạo thành các lớp ôxit bền vững hơn còn thực hiện cả 2 quá trình tùy thuộc vào bản chất điện của hợp chất hữu cơ để tạo nên lớp phủ hữu cơ cao phân tử được gọi là sơn điện di. Trên thế giới công nghệ điện hóa bề mặt, đặc biệt công nghệ mạ điện đã phát triển mạnh và đóng góp quan trọng để làm đẹp, làm bền các công trình văn hóa, các sản phẩm gia dụng và công nghiệp.
Ở nước ta công nghệ điện hóa bề mặt cũng được phát triển sớm để phục vụ cho công
nghiệp cơ khí nhằm góp phần tạo ra các sản phẩm đẹp, bền hơn đặc biệt bền ăn mòn
trong môi trường nhiệt đới ẩm như các lớp mạ Cu, Ni, Cr, Au, Ag. Từ yêu cầu của thực tế sản xuất các công trình nghiên cứu về công nghệ điện hóa bề mặt cũng đã sớm được triển khai và chuyển giao công nghệ vào thực tiễn như chất làm bóng BK cho mạ niken, các dung dịch mạ ít độc, cho tốc độ cao, mạ không sử dụng bể mạ [60]. Giải thưởng KHCN nhà nước cũng như nhiều giải thưởng KHCN cho những kết quả hoạt động của lĩnh vực này cũng chứng tỏ đóng góp của công nghệ điện hóa bề mặt cho hoạt động KHCN của đất nước.

BẢO VỆ KIM LOẠI

Cơ sở điện hóa

Về mặt nhiệt động học, hầu hết các kim loại không bền vững do được chế tạo từ những hợp chất bền vững của chúng như các muối, ôxit nên với các môi trường tiếp xúc kim loại dễ bị tác động và bị ăn mòn. Sự không đồng nhất của vật liệu kim loại về thành phần, cấu tạo và cấu trúc vi mô sẽ tạo nên vô vàn các cặp “vi pin điện hóa” trên bề mặt [63]. Khi tiếp xúc với môi trường nước, đất ẩm hoặc có ngưng tụ ẩm từ không khí trên bề mặt kim loại sẽ tạo thành môi trường điện li để các cặp “vi pin điện hóa” hoạt động trong đó anốt luôn là kim loại bị ăn mòn do quá trình hòa tan điện hóa:

Tùy thuộc vào tính chất của môi trường, các tạp chất trên bề mặt hoặc trong dung dịch điện li, quá trình catốt của cặp pin ăn mòn có thể là khử phân cực hiđrô, khử phân cực ôxy hòa tan hoặc khử phân cực các ion dương điện hơn ví dụ như đồng so với sắt theo các phản ứng điện cực tương ứng:

Với hệ nhiều phản ứng điện hóa trên bề mặt kim loại nên thế của các quá trình ăn mòn điện hóa là hỗn hợp của các thế điện cực . Giá trị thế cân bằng của hỗn hợp các thế điện cực cân bằng của hệ còn được gọi là thể ổn định hoặc thế ăn mòn Eăm hoàn toàn khác thế cân bằng của một quá trình điện hóa của kim loại E0 đã nêu tại bảng 2. Điều đó có nghĩa là tại thế ăn mòn so với thế cân bằng của quá trình hòa tan kim loại đã tạo nên sự phân cực cho quá trình hòa tan anốt kim loại. Tuy tổng dòng trên bề mặt bị triệt tiêu do hệ đạt cân bằng, song dòng anốt hòa tan kim loại tương ứng với dòng cân bằng của hệ cũng được gọi là dòng ăn mòn iăm theo các phương trình động học (42), (43) vẫn khác không và kim loại bị ăn mòn theo cơ chế điện hóa sẽ xảy ra liên tục khi vẫn tồn tại màng dung dịch điện li. Từ cơ sở điện hóa cho thấy nếu kim loại càng tinh khiết và đồng nhất cả về thành phần và cấu trúc thì sẽ không tồn tại các vi pin ăn mòn và thế ăn mòn Eăm nên kim loại đó sẽ không bị ăn mòn. Vùng bền vững ăn mòn của kim loại trong môi trường nước thường được xác định trên biểu đồ Pourbaix về sự phụ thuộc của thế điện cực kim loại vào pH của dung dịch.
Quá trình ăn mòn kim loại được phân loại theo cơ chế phản ứng như: ăn mòn điện
hóa trong môi trường ẩm, ăn mòn hóa học trong môi trường khô hoặc phân loại theo môi trường ăn mòn như: ăn mòn khí quyển, ăn mòn trong đất, ăn mòn trong nước, môi trường đô thị, môi trường biển, ăn mòn trong muối nóng chảy-nhiệt độ cao. Người ta cũng thường phân loại các quá trình ăn mòn theo hiện tượng như: ăn mòn đồng đều, ăn mòn điểm, ăn mòn biên hạt, ăn mòn chọn lọc, ăn mòn do tải. Các dạng ăn mòn khác nhau vừa gây tổn thất lượng kim loại nhưng nguy hiểm hơn là làm giảm các tính chất cơ, lí và độ bền của vật liệu.

Động học các phản ứng ăn mòn kim loại được xác định bằng tốc độ ăn mòn tính theo
g/dm2h hay microm/năm hoặc mật độ dòng ăn mòn iăm micro A/cm2. Việc xác định tốc độ ăn mòn iăm bằng xây dựng đường cong phân cực: thế – mật độ dòng tương tự như các phương trình 45,46 với phân cực là sự lệch thế khỏi thế ổn định hoặc Eăm và tại vùng phân cực nhỏ sự phụ thuộc là tuyến tính tuân theo phương trình Tafel với lgiăm được xác định tại giao điểm giữa các nhánh đường phân cực và thế ăn mòn. Theo Wagner và Traud cũng như Stern và Geary có thể xác iăm bằng điện trở phân cực

Tác hại
Do kim loại là thành phần cấu thành của hầu hết các trang thiết bị, công trình của mọi
ngành kinh tế và đời sống dân sinh nên ăn mòn kim loại gây tác hại rất to lớn cho các nền kinh tế thế giới. Theo thống kê lượng kim loại mất đi do ăn mòn chiếm đến 15 % sản lượng kim loại hàng năm và chiếm từ 1 đến 5 % tổng sản phẩm quốc dân (GNP) của mỗi nước. Năm 1998 Mỹ mất đến 276 tỉ USD khoảng 3,2 % GNP do ăn mòn kim loại. Tác hại do ăn mòn kim loại không chỉ về số lượng kim loại và chi phí bảo vệ kim loại mà nguy hiểm hơn là làm giảm tuổi thọ, độ ổn định, độ chính xác của máy móc, trang thiết bị, đặc biệt sẽ cực kì nguy hiểm là nguyên nhân gây ra các vụ tai nạn đối với các trang thiết bị hiện đại như máy bay, tàu thủy, lò phản ứng hạt nhân hoặc các loại vũ khí, trang bị kĩ thuật quân sự.

Nước ta có khí hậu nhiệt đới nóng, ẩm cận biển với nhiệt độ trung bình hơn 30oC, thời gian ngưng tụ ẩm TOW hơn 5000 h/năm, xốc nhiệt độ ngày – đêm lớn hơn 5oC và đang
công nghiệp hóa với môi trường ngày càng ô nhiễm nên tốc độ ăn mòn điện hóa sẽ rất lớn và gây nhiều tác hại cho mọi lĩnh vực của kinh tế và an ninh quốc phòng. Ý thức được đều này nên thế hệ các chuyên gia điện hóa đầu tiên của nước ta vào những thập niên 60 – 70 đều có các đề tài bảo vệ luận án tiến sĩ về ăn mòn và bảo vệ kim loại tại các nước XHCN trước đây. Ngày nay hầu hết các trường đại học và các viện nghiên cứu lớn, đầu ngành đều có tổ chức nghiên cứu và cố gắng triển khai áp dụng hoặc phát triển nhiều biện pháp chống ăn mòn kim loại để giảm thiệt hại do tác động của môi trường đến các ngành kinh tế trong thời kì công nghiệp hóa đất nước cũng như an ninh – quốc phòng.

Các phương pháp bảo vệ

Trên thế giới đã ứng dụng nhiều biện pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại từ tạo ra các loại hợp kim bền với ăn mòn kim loại chủ động tự bảo vệ trong môi trường tác động mà điển hình như các hệ thép không gỉ đến các kĩ thuật hỗ trợ khác nhau làm giảm tác động môi trường như cô lập kim loại với môi trường bằng các lớp sơn phủ, sử dụng các chất ức chế, dùng các vật liệu ăn mòn hy sinh thay thế hoặc cung cấp nguồn điện để phân cực anốt cũng như loại bỏ các tác nhân ăn mòn trong môi trường như giảm độ ẩm,…
Nước ta tuy ngành luyện kim chưa triển khai sản xuất các loại hợp kim bền ăn mòn, song
các đề tài nghiên cứu chế tạo thép không gỉ, thép CT-0 có hàm lượng các bon và silit cực thấp làm vật liệu để chế tạo nồi cho công nghệ nhúng kẽm nóng cột điện cao áp [74], tái chế hợp kim đồng kẽm cũng đã góp phần vượt khó trong thời kì còn cấm vận để xây dựng các công trình kinh tế trọng điểm. Ngày nay các công trình khai thác và chế biến dầu khí trên biển và bờ biển; các công trình giao thông như cầu, tàu; các công trình xây dựng nhà máy, công xưởng, v.v… đều chú ý áp dụng các biện pháp chống ăn mòn kim loại nhập từ nước ngoài hoặc tự phát triển như các loại sơn hữu cơ – polime, vô cơ – silicat, protectơ, trạm catốt cũng như ứng dụng các loại ức chế tổng hợp, tách chiết từ thực vật Việt Nam. Nhận biết được tác động ăn mòn to lớn của độ ẩm không khí, công nghệ không khí khô tạo môi trường độ ẩm tối ưu 40-60% và điều khiển ổn định cũng đã thành chỉ lệnh để bảo quản hiệu quả vũ khí trang bị kĩ thuật quân sự

MỘT SỐ HƯỚNG CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA HIỆN ĐẠI
Công nghệ nano điện hóa

Công nghệ điện hóa với cơ sở lí thuyết đã trình bày có thể biến đổi trạng thái vật liệu từ vĩ mô đến vi mô dạng ion, phân tử và ngược lại nên hoàn toàn có thể tham gia vào các quá trình: thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước về vùng nano mét của công nghệ nano . Thực hiện quá trình catốt kết tủa các kim loại từ ion theo kiểu “Bottom up”, có thể điều khiển đến vùng kích thước nano mét 1 chiều dạng màng mỏng đơn lớp hoặc đa lớp xen kẽ nhờ kĩ thuật xung cũng như kết tủa kim loại vào các lỗ nano để tạo dạng nano 2 chiều như dây, ống hoặc đưa các hạt trơ nano vào lớp mạ thành vật liệu nano compozit. Với công nghệ mạ nano có thể chế tạo được các lớp mạ chức năng rất phong phú như: tạo bề mặt xúc tác quá trình oxihóa nhiên liệu nhiệt độ thấp, bề mặt tự rủa sạch theo hiệu ứng siêu kỵ nước “lá sen”, bề mặt bền hóa, bền mài mòn và ăn mòn.

Thực hiện quá trình hòa tan anốt như “Top down” để phân nhỏ vật liệu kim loại và điều
khiển đến vùng nano. Kết hợp đồng thời các quá trình anốt với catốt hoặc quá trình điện hóa với quá trình hóa học hoặc các hiệu ứng vật lí như siêu âm, tia gama, laser sẽ tạo
thêm nhiều khả năng để điều khiển quá trình tổng hợp các dạng vật liệu nano không chiều như dung dịch keo các kim loại Ag, Au, Cu, Pt.

Công nghệ điện hóa plasma

Dạng vật chất plasma có trên bề mặt mặt trời và ngoài vũ trụ cũng có thể tạo được bằng
công nghệ điện hóa khi thực hiện quá trình “plasma electrolysis” ở các giá trị điện thế cao. Các phản ứng điện cực tại các điện áp cao ngoài phần tuân theo định luât Faraday còn có phản ứng “không Faraday” do tác động của sự xuất hiện trạng thái plasma từ dòng điện
tử trong vùng điện trường và từ trường mạnh trên bề mặt các điện cực. Quá trình “plasma
electrolysis” làm phân hủy nước cực mạnh thành H2, O2 và H2O lớn hơn gấp 80 lần so với quá trình điện phân nước thông thường tạo khí H2. Điều đó hứa hẹn khả năng biến nước thành nguồn mang năng lượng tìm năng nhất cho quá trình sản xuất điện của pin nhiên liệu hiđrô cũng như cho nền kinh tế hiđro trong tương lai. Với quá trình điện hóa điện thế cao dung dịch nano kim loại đặc biệt dung dịch nano bạc tinh khiết có khả năng diệt khuẩn đặc biệt tốt đã và đang được nghiên cứu chế tạo và ứng dụng. Bên cạnh đó hiệu ứng huỳnh quang điện hóa cũng như vật liệu phát huỳnh quang của dung dịch nano kim loại cũng được chú ý khảo sát.

KẾT LUẬN

Công nghệ điện hóa là lĩnh vực chuyển đổi qua lại giữa 2 dạng năng lượng điện và hóa học nên có cơ sở lí thuyết về nhiệt động và động học của hóa học và điện với các đại lượng thế điện cực và mật độ dòng để tạo dựng các quân hệ và những quy luật về cấu tạo dung dịch điện li, cấu tạo lớp điện kép đến động học các phản ứng điện cực.
Công nghệ điện hóa được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống tạo nên những vật liệu và công nghệ đa dạng góp phần cho sự phát triển phong phú của nhiều ngành kinh tế của xã hội. Công nghệ điện hóa cũng tạo nền tảng cơ sở để nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ kim loại cũng như công nghệ và vật liệu nano và điện hóa plasma hiện đại góp phần tăng chất và lượng các sản phẩm xã hội.
Từ các hoạt động nghiên cứu khoa học, giảng dạy và triển khai ứng dụng công nghệ điện
hóa và bảo vệ kim loại vào thực tiễn đất nước, đội ngũ cán bộ chuyên môn điện hóa nước nhà được đào tạo cơ bản ở nước ngoài từ 1962 với GS TS Nguyễn Quỳ đến tự đào tạo trong nước bắt đầu từ 1981 với PGS. TS. Nguyễn Minh Hoàng đã lớn mạnh về lượng và chất cũng như mở rộng hoạt động đến các vùng, miền, lĩnh vực khác nhau đã và đang góp phần truyền bá và phát triển kiến thức chuyên môn cũng như tạo ra ngày càng nhiều sản phẩm xã hội tạo nên những đóng góp có ý nghĩa cho sự phát triển của nền kinh tế đất nước

Nguyễn Đức Hùng

Institute for Chemistry and Materials
Email: nguyenduchung1946@gmail.com