Nội dung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HOC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ ANH PHÂN TÍCH LƯỢNG NHỎ CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM TRONG LỚP MẠ HỢP KIM Ni- Zn LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2009 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc nhất em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Ri đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn hóa phân tích đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian qua. Tôi xin cảm ơn các anh chị, các bạn trong phòng thí nghiệm và các bạn đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Cao đẳng Công nghiệp Hóa chất Lâm Thao - Phú Thọ, các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện cho tôi được học tập và hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ động viên của gia đình đã giúp tôi hoàn thành tốt luận văn của mình. Hà nội, ngày 25 tháng 11 năm2009 Học viên Nguyễn Thị Anh Mục lục Nội dung Trang MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3 1.1 Tình hình nghiên cứu lớp mạ hợp kim có nguyên tố đất hiếm bảo 3 vệ bề mặt kim loại 1.1.1 Nghiên cứu ở nước ngoài 3 1.1.2 Nghiên cứu trong nước 5 1.2 Giới thiệu về các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) 6 1.2.1 Giới thiệu chung về các NTĐH 6 1.2.2 Các hợp chất của đất hiếm 7 1.3 Các phương pháp xác định NTĐH 11 1.3.1 Các phương pháp hoá học 11 1.3.2 Phương pháp vật lý 13 1.3.3 Các phương pháp phân tích công cụ 13 1.3.4 Các phương pháp phân tích định lượng 15 1.4 Các phương pháp xác định hàm lượng Ni2+, Zn2+ 15 2+ 1.4.1 Xác định hàm lượng Ni bằng phương pháp F-AAS 15 1.4.2 Xác định hàm lượng Zn2+ bằng phương pháp chuẩn độ 16 1.5 Phương pháp đánh giá khả năng chống ăn mòn của lớp mạ 16 1.5.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét ( SEM) 16 1.5.2 Phương pháp nhỏ giọt 16 1.5.3. Phương pháp ngâm trong dung dịch muối ăn 17 1.5.4 Phương pháp điện hóa 17 CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19 2.1 Đối tượng, nội dung nghiên cứu 19 2.1.1 Đối tượng 19 2.1.2 Nội dung 19 2.2 Phương pháp nghiên cứu 19 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20 3.1 Thiết bị và hóa chất 20 3.1.1 Thiết bị 20 3.1.2 Hóa chất 20 3.2 Khảo sát phổ hấp thụ phân tử của phức Ce3+-arsenazo III bằng 22 phương pháp trắc quang UV-VIS 3.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo 22 3.3.1 Ảnh hưởng của pH môi trường đêm tới A 22 3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian tới độ bền của phức 23 3.3.3 Ảnh hưởng của thuốc thử dư tới A 24 3.3.4 Ảnh hưởng của các ion kim loại 25 3.3.5 Loại trừ các yếu tố ảnh hưởng 29 3.4 Xây dựng phương trình đường chuẩn xác định Ce3+ 31 3.4.1 Xây dựng phương trình đường chuẩn 31 3.4.2 Kiểm tra sai số hệ thống của đường chuẩn 32 3.4.3 Giới hạn phát hiện (LOD) 33 3.4.4 Giới hạn định lượng (LOQ) 34 3.5 Chế tạo lớp mạ làm mẫu nghiên cứu 34 3.5.1 Xử lý bề mặt mẫu nghiên cứu 34 3.5.2 Chế tạo lớp mạ 34 3.5.3 Đánh giá khả năng chống ăn mòn của vật liêu sau mạ 39 3.6 Xác định các nguyên tố có trong thành phần lớp mạ 42 3.6.1 Xử lý mẫu 42 3.6.2 Xác định hàm lượng Ce3+ trong lớp mạ bằng phương pháp trắc 42 quang 3.6.3 Xác định Ni2+ trong lớp mạ bằng phương pháp F-AAS 45 3.6.4 Xác định Zn2+ trong lớp mạ bằng phương pháp chuẩn độ 47 complecxon KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT NTĐH: Nguyên tố đất hiếm TEA: Triethanolamine EPA: Là tác nhân làm bóng chính, được lựa chọn từ các sản phẩm phản ứng của các amin hoặc các dẫn epinhalohydrin. SEM: Scanning electron microcope xuất thế nhóm metyl của chúng với DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ A- Bảng biểu Bảng 1.1 Các nhóm NTĐH. Bảng 1.2: Logarit hằng số bền của NTĐH với EDTA phức 1:1. Bảng 3.1 : Ảnh hưởng của pH đến độ hấp thụ quang A. Bảng 3.2 : Ảnh hưởng của thuốc thử dư. Bảng 3.3 : Ảnh hưởng của Fe2+ tới A. Bảng 3.4 : Ảnh hưởng của Fe3+ tới A. Bảng 3.5 : Ảnh hưởng của Ni2+ tới A. Bảng 3.6 : Ảnh hưởng của Zn2+ tới A. Bảng 3.7: Ảnh hưởng của nồng độ H+ tới khả năng tách Fe3+ ra khỏi Ce3+. Bảng 3.8: Hiệu suất thu hồi Ce3+. Bảng 3.9: Xác định giá trị A của đường chuẩn Ce3+. Bảng 3.10 : Thành phần dung dịch mạ và chế độ mạ. Bảng 3.11: Kết quả so sánh đặc tính của hai loại lớp mạ khi đánh giá bằng phương pháp nhỏ giọt. Bảng 3.12: Kết qủa so sánh đặc tính lớp mạ khi ngâm trong dung dịch muối ăn. Bảng 3.13: Kết quả đo đường cong phân cực. Bảng 3.14: Độ hấp thụ quang của Ce3+ trong các mẫu theo phương pháp thêm chuẩn. Bảng 3.15: Kết quả xác định hàm lượng Ce3+ trong các mẫu được mạ. Bảng 3.16: Kết qủa đo phổ dãy chuẩn Ni2+. Bảng 3.17: Kết quả đo phổ AAS của Ni2+ trong lớp mạ. Bảng 3.18: Xác định hàm lượng Zn2+ trong lớp mạ bằng phương pháp chuẩn độ complecxon. B- Hình vẽ Hình 1.1: Hình miêu tả phương pháp ngoại suy Tafel. Hình 3.1: Phổ UV- VIS của phức Ce- Asenazo III. Hình 3.2 : Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của A vào pH. Hình 3.3: Độ bền của phức theo thời gian. Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thuốc thử dư đến A của Ce3+. Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của Fe3+ tới A của Ce3+. Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của Zn2+ tới A của Ce3+. Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ H+ tới khả năng tách Fe3+ ra khỏi Ce3+. Hình 3.8: Đường chuẩn xác định Ce3+. Hình 3.9: Ảnh hưởng của nồng độ tác nhân tạo phức kết hợp với axit citric trong dung dịch mạ lên tỉ lệ Ni lên lớp mạ. Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn đường cong dòng - thế của dung dịch mạ hợp kim có phụ gia (1-1’) và dung dịch chưa có phụ gia (2-2’). Hình 3.11: Cấu trúc lớp mạ có Ce-Zn-Ni. Hình 3.12: Cấu trúc lớp mạ có Zn-Ni. Hình 3.13: Đường cong phân cực lg i = f(E) Hình 3.14: Đồ thị thêm chuẩn của mẫu 1. Hình 3.15: Đồ thị thêm chuẩn của mẫu 2. Hình 3.16: Đồ thị thêm chuẩn của mẫu 3. Hình 3.17: Đường chuẩn của Ni2+. MỞ ĐẦU Ngày nay, vật liệu kim loại vẫn đang chiếm một vị trí quan trọng trong các ngành công nghiệp cũng như trong nền kinh tế quốc dân. Do có hoạt tính cao nên chúng luôn bị môi trường tác động làm phá hủy dần từ ngoài vào trong. Theo ước tính thì ăn mòn kim loại hàng năm trên thế giới làm thiệt hại khoảng 5% nền kinh tế. Ở nước ta, môi trường khí hậu nhiệt đới nóng ẩm là điều kiện lý tưởng cho ăn mòn kim loại, tỷ lệ vật liệu kim loại được sử dụng còn cao vì vậy thiệt hại do ăn mòn chắc chắn sẽ lớn hơn. Như chúng ta đã biết, sắt và hợp kim của nó là vật liệu rất quan trọng đối với các lĩnh vực công nghiệp, kinh tế cũng như đời sống thường nhật. Trong đó thép cacbon được xem như vật liệu quan trọng và thông dụng nhất. Do có tính chất cơ lý, hóa ưu việt nên thép cacbon được dùng ở khắp nơi là vật liệu kim loại có sản lượng lớn nhất thế giới hiện nay. Tuy nhiên, vật liệu này kém bền, dễ bị ăn mòn trong các môi trường nên khi sử dụng phải có biện pháp bảo vệ chống ăn mòn thích hợp. Trong trường hợp này chúng ta thường có hai cách bảo vệ sắt: Tạo ra hợp kim của sắt có đặc tính chống ăn mòn cao hoặc tạo ra lớp phủ, mạ bảo vệ ngăn cách sự tiếp xúc giữa vật liệu với môi trường, sự ngăn cách có thể là lớp sơn bề mặt hay dùng lớp phủ photphat hóa bề mặt và một kỹ thuật đang được sử dụng phổ biến trên thế giới đó là phương pháp mạ hợp kim. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về lớp mạ hợp kim nhằm tạo ra một lớp mạ bền vững nâng cao khả năng chống ăn mòn và các nghiên cứu này đều tập trung vào các chất phụ gia có trong thành phần lớp mạ. Một trong số các chất phụ gia được nghiên cứu là hợp chất của đất hiếm. Chúng có khả năng bảo vệ vật liệu, chống ăn mòn trong các môi trường khác nhau hoặc ở nhiệt độ cao (môi trường oxi hóa hay sunfit hóa hoặc các muối nóng chảy) hoặc ở nhiệt độ thấp (các dung dịch có chứa clorua hay nước biển). Ngoài ra người ta còn sử dụng các nguyên tố đất hiếm làm chất ức chế gỉ, không độc như các chất ức chế cromat nói chung. Như vậy việc nghiên cứu sử dụng các nguyên tố đất hiếm trong công nghiệp đã rất phong phú, ở nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực công nghệ mạ điện. Việc xác định thành phần hóa học các lớp mạ, tìm ra các tỷ lệ phụ gia đất hiếm hợp lí để nâng cao chất lượng bề mặt cũng như khả năng chống ăn mòn của lớp mạ là một trong những đòi hỏi của quá trình nghiên cứu thực nghiệm chế tạo lớp mạ, phục vụ sản xuất trong tương lai. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài : “Phân tích lượng nhỏ các nguyên tố đất hiếm trong lớp mạ hợp kim Ni – Zn” cho cuốn luận văn này. Với các nhiệm vụ chủ yếu sau: 1. Tìm các điều kiện tối ưu để xác định thành phần nguyên tố đất hiếm 3+ (Ce ) có trong lớp mạ hợp kim Ni- Zn bằng phương pháp UV-VIS. 2. Ngoài việc xác định nguyên tố Ce3+ là chất phụ gia có trong lớp mạ, chúng tôi cũng xác định thêm cả Ni2+ (bằng phương pháp F-AAS) và Zn2+ (bằng phương pháp chuẩn độ complecxon) là những thành phần chính của lớp mạ. 3. Trong luận văn chúng tôi cũng trình bày tóm tắt quá trình chế tạo lớp mạ và khả năng chống ăn mòn của lớp mạ khi có chất phụ gia Ce3+. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu lớp mạ hợp kim có NTĐH bảo vệ bề mặt kim loại [23,27] 1.1.1 Nghiên cứu ở nước ngoài Mạ kim loại ra đời và phát triển hàng trăm năm nay. Ngày nay mạ kim loại đã trở thành một ngành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ ở hầu hết các nước trên thế giới, phục vụ một cách đắc lực cho mọi ngành khoa học kỹ thuật sản xuất và đời sống văn minh con người. Lớp mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết máy, dụng cụ sinh hoạt, phương tiện sản xuất, giao thông vận tải, khai thác mỏ địa chất, thông tin liên lạc, kỹ thuật điện tử, cơ khí chính xác, thiết bị y tế, trang trí bao bì. Biến tính bề mặt bằng các chất ức chế, các màng thụ động vào các lớp phủ là một phương pháp quan trọng đối với việc bảo vệ bề mặt kim loại. Nhiều công trình nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm tại các trường đại học và việc nghiên cứu khoa học nhiều nước trên thế giới đang được tiến hành để phát triển sự hiểu biết tốt hơn về ứng xử ăn mòn của những bề mặt thật và của những thay đổi về các đặc tính này do bề mặt được biến tính. Hiện nay tập trung vào các việc ức chế ăn mòn trong môi trường trung tính và có hơi nước và mô tả các tính chất điện hoá của những bề mặt không đồng nhất có tầm quan trọng trong quá trình ăn mòn cục bộ. Một trong các phương pháp được dùng nhiều đó là công nghệ mạ hợp kim bảo vệ bề mặt kim loại. Một cách đơn giản nhất có thể hiểu mạ điện là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ, lý, hoá ... đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật mong muốn. Mạ kim loại không chỉ làm mục đích bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn mà còn có tác dụng trang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho các dụng cụ máy móc và đồ trang sức. Những năm gần đây tại các nước có nền công nghiệp phát triển, ngoài Zn, Fe, Mn người ta còn đưa vào lớp mạ một lượng nhỏ các nguyên tố như 3