Bài 8: Phần 1 & 2 – Kiểm soát sự ăn mòn - Tấm lắng lamen Lamela
Tấm lắng lamen - lamela
-----------------------------------
Vào bài
Ăn mòn và ổn định là gì?
Nước ổn định là nước không có xu hướng ăn mòn và cũng không hình thành lớp gỉ. Ăn mòn, còn được gọi là nước không ổn định và có xu hướng ăn mòn (rỉ sét) kim loại trong các đường ống, bể chứa mà nước đi qua. Nước hình thành lớp gỉ sẽ có xu hướng hình thành lớp gỉ canxi cacbonat trên bề mặt của các đường ống, bể chứa.
Ăn mòn và hình thành lớp gỉ của nước là hai đầu đối diện của một dãi quang phổ. Một loạt các đặc tính của nước (chúng ta sẽ thảo luận trong phần sau) kết hợp với nhau ảnh hưởng đến vị trí của nước dọc theo quang phổ này. Mục tiêu của các nhà điều hành nhà máy xử lý là tìm những điểm dọc theo dải ổn định mà tại đó nước ổn định và không ăn mòn các ống dẫn hoặc hình thành lớp gỉ.
Vấn đề đóng gỉ
Nước không ổn định gây ra các vấn đề chủ yếu trong hệ thống phân phối, tuy nhiên nó cũng có thể gây hại cho các thiết bị của nhà máy xử lý và các phụ kiện thiết bị trong nhà của khách hàng. Hình thành lớp gỉ là vấn đề vì nó được hình thành bên trong đường ống và làm giảm thiết diện ống dẫn nước. Ngoài ra, lớp gỉ có thể hình thành trên thiết bị và máy nước nóng gây ra các vấn đề khác.
Mặc dù có những vấn đề gây ra bởi lớp gỉ, nhưng cũng nên lưu ý rằng một lượng nhỏ lớp gỉ là có lợi vì nó áo bên trong đường ống và làm chậm sự ăn mòn.
Thông thường, các nhà điều hành các nhà máy xử lý nước sẽ phấn đấu để sản xuất nước với một ít lớp gỉ hình thành.
Các vấn đề ăn mòn
Nước ăn mòn, ngược lại, không bao giờ mang lại lợi ích. Ăn mòn, như những gì thể hiện trong những hình ảnh trên, có thể gây ra vấn đề kinh tế, y tế và thẩm mỹ.
Vấn đề kinh tế là thiệt hại cho đường ống, bể chứa, van. Thiệt hại cho đường ống là phổ biến nhất, làm rò rỉ và làm giảm bớt khả năng vận chuyển. Những vấn đề ăn mòn đường ống thường dẫn đến những nốt sần tạo ra các đống rỉ bên trong đường ống, như thể hiện trong hình dưới đây.
Các gò sần giảm bớt không gian trong đường ống dẫn nước, cũng như đóng gỉ. Sự ăn mòn lâu ngày cùng với các nốt sần là nguyên nhân gây nên sự rò rỉ đường ống gây thất thoát nước.
Ăn mòn trong hệ thống phân phối cũng có thể gây hại cho sức khỏe. Khi đường ống bị ăn mòn, một số kim loại từ các đường ống pha trộn vào nước uống và được tiêu thụ bởi khách hàng. Nếu các đường ống chứa chì hoặc đồng vào trong nước với một tỷ lệ cao sẽ nguy hại đến sức khỏe của khách hàng. Chì gây ra một loạt các vấn đề ở trẻ em và làm tăng huyết áp ở người lớn, trong khi đồng làm tổn hại dạ dày và các vấn đề đường ruột và bệnh Wilson. Do hậu quả của những mối nguy hiểm sức khỏe, EPA đã thông qua một đạo luật vào năm 1991 là giới hạn số lượng chì và đồng có thể được tìm thấy trong nước uống.
Cuối cùng, ăn mòn có thể gây ra vấn đề thẩm mỹ. Khi ống kim loại bị ăn mòn, rỉ sét có thể bị phá vỡ và pha lẫn vào nước gây nên hiện tượng nước màu đỏ, có thể gây ố quần áo và thiết bị hệ thống ống nước. Ngoài ra, ăn mòn trong hệ thống phân phối có thể gây ra vấn đề mùi vị.
Phần 2: Ăn mòn hóa học
Tế bào ăn mòn
Chúng ta đã thảo luận khá rộng về lớp gỉ, vì vậy chúng ta sẽ chủ yếu quan tâm đến sự ăn mòn trong phần còn lại của bài này. Ăn mòn là một phản ứng điện hóa liên quan đến sự chuyển động của các điện tử. Trước tiên hãy xem xét một phản ứng điện hóa quen thuộc xảy ra khi điện đi ra khỏi pin.
Trong một cục pin, có hai đầu điện tử được gọi là cực dương và cực âm. Cực âm hấp dẫn các điện tử mang điện tích dương. Nếu hai đầu của pin được kết nối với một đối tượng dẫn điện, chẳng hạn như một dây kim loại mà qua đó các electron có thể chuyển động, các điện tích chuyển động từ cực dương sang cực âm như một dòng điện. Pin và dây tạo nên dòng điện như một tế bào điện phân như là một thiết bị gây ra một dòng điện chuyển động.
Ăn mòn trong một vật kim loại, chẳng hạn như một đường ống, hoạt động theo cách tương tự. Một khu vực mang điện tích âm của kim loại (cực dương) được kết nối với một khu vực mang điện tích dương (cực âm) trên thành ống của chính nó. Kết quả là, các điện tích có thể chuyển động từ cực dương đến cực âm.
Ngoài các cực dương, cực âm, và các vật liệu dẫn điện kết nối; các phản ứng điện hóa đòi hỏi thêm một yếu tố nữa đó là chất điện phân. Chất điện phân là một giải pháp dẫn điện, mà trong đó các ống nước có muối hòa tan. Các chất điện phân chấp nhận các electron từ cực âm làm cho âm cực duy trì một điện tích dương thu hút thêm các electron đến với nó.
Vì vậy, có thể tóm tắt, bất kỳ phản ứng điện hóa nào cũng đều đòi hỏi có bốn yếu tố, tất cả đều phải được tiếp xúc với nhau - cực dương, cực âm, vật liệu dẫn điện, và chất điện phân. Trong pin, cực dương và cực âm là hai đầu của pin, vật liệu dẫn điện là một dây hoặc đối tượng khác chạm vào cả hai đầu, và chất điện phân được tìm thấy bên trong pin. Trong trường hợp của sự ăn mòn trong một đường ống; cực dương, cực âm, và vật liệu dẫn điện đều được tìm thấy trong thành ống trong khi điện phân là nước bên trong ống. Nếu một trong bốn yếu tố, tạo nên các tế bào ăn mòn, không hiện diện (vắng mặt) hoặc không chạm vào nhau thì sự ăn mòn không thể xảy ra.
Phản ứng cực dương
Trong phần trước, chúng ta đã thảo luận về phần điện của phản ứng điện hóa xảy ra trong quá trình ăn mòn. Để cho dòng chuyển động của các điện tử xảy ra thì phản ứng hóa học cũng phải xảy ra. Trong bài này, chúng ta sẽ xem xét các phản ứng hóa học xảy ra trong một ống sắt vì chúng có tính ăn mòn. Các loại ống khác sẽ có sự khác nhau, tuy nhiên phản ứng hóa học về sự ăn mòn cũng là tương tự.
Lực lượng chính đằng sau sự ăn mòn là xu hướng của sắt bị phá vỡ thành trạng thái tự nhiên của nó. Nguyên tố sắt trong ống sắt (FEC0) là không ổn định và có xu hướng oxy hóa (phản ứng với oxy hoặc các yếu tố khác có oxy). Trong tự nhiên, quá trình oxy hóa này tạo ra một quặng sắt như hematit (Fe2O3), magnetite (Fe3O4), pyrit sắt (FeS2), hoặc siderit (FeCO3). Trong ăn mòn, kết quả của quá trình oxy hóa này là rỉ sét, Fe (OH) 2 và Fe (OH) 3.
Quá trình oxy hóa của nguyên tố sắt xảy ra tại anot. Đầu tiên, các nguyên tố sắt bị phá vỡ như hình dưới đây. Trong phản ứng này, nguyên tố sắt rời khỏi ống và hình thành các hố trên bề mặt của ống ở cực dương.
Elemental Iron → Ferrous iron + Electrons
Fe0 → Fe2+ + 2e-
Phản ứng tạo ra sắt kim loại màu và hai electron. Các điện tử sau đó có thể chuyển động qua thành ống đến cực âm. Trong khi đó, sắt màu phản ứng với nước (chất điện phân) trong đường ống để sản xuất các ion gỉ và hydro.
Ferrous iron + Water ↔ Ferrous hydroxide + Hydrogen ions
Fe2+ + 2H2O ↔ Fe(OH)2 + 2H+
Gỉ phủ lớp áo trên bề mặt cực dương. Sau đó hydroxit màu có thể tiếp tục phản ứng với nước thêm nữa tạo ra một hình thức rỉ sét gọi là hydroxit sắt (Fe (OH) 3). Các lớp gỉ là cái tạo ra các nốt sần mà chúng ta đã đề cập trước đó.
Nốt sần có thể làm giảm năng lực dẫn nước của các đường ống và có thể tróc ra trong dòng chảy cao, dẫn đến nước màu đỏ. Nhưng trong quá trình ăn mòn, nốt sần thực sự làm chậm tốc độ ăn mòn bởi cắt giảm anode khỏi điện. Tuy nhiên, khi nốt sần bị tróc ra, trôi đi và cực dương tiếp xúc với nước một lần nữa làm tăng tốc độ ăn mòn.
Phản ứng cực âm
Các electron từ sự phân hủy sắt nguyên tố chuyển động qua thành ống đến cực âm. Ở đó, chúng rời khỏi kim loại và nhập vào nước bằng cách phản ứng với các ion hydro và tạo thành khí hydro:
Hydrogen ions + Electrons ↔ Hydrogen gas
2H+ + 2e- ↔ H2
Khí hydro sẽ áo cực âm và ngăn cách cực âm với nước trong một quá trình được gọi là phân cực. Cũng giống như sự tích tụ của nốt sần, phá vỡ các kết nối giữa các cực dương và chất điện phân và làm chậm quá trình ăn mòn, phân cực phá vỡ các kết nối giữa cực âm và chất điện phân và làm chậm sự ăn mòn.
Oxy hòa tan trong nước có thể phản ứng với khí hydro xung quanh cực âm:
Hydrogen gas + Oxygen ↔ Water
2H2 + O2 ↔ 2H2O
Phản ứng này được gọi là quá trình khử cực. Khử cực loại bỏ các khí hydro xung quanh cực âm và tăng tốc quá trình ăn mòn. Vì vậy, bạn có thể thấy lý do tại sao nước có oxy hòa tan cao thì tính ăn mòn càng cao.
Các phản ứng điện hóa
Bằng cách kết hợp các phản ứng điện hóa và thảo luận ở trên, chúng ta có thể xem những gì đang thực sự xảy ra trong quá trình ăn mòn của một đường ống.
-----------------------------------------------
Tấm lắng lamen Lamella