Nghiên cứu đánh giá đặc tính ăn mòn khí quyển tại khu vực Tây Nguyên - Việt Nam - Nguyễn Cao Tuấn

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 45, 10 - 2016 147 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH ĂN MÒN KHÍ QUYỂN TẠI KHU VỰC TÂY NGUYÊN - VIỆT NAM Nguyễn Cao Tuấn1*, Nguyễn Văn Hoàng1, Nguyễn Đình Hưng1, Hà Hữu Sơn2, Lê Quốc Phẩm2 Tóm tắt: Bài báo này trình bày kết quả thử nghiệm xác định tính ăn mòn khí quyển của khu vực Tây Nguyên – Việt Nam. Kết quả cho thấy khí quyển của khu vực Tây Nguyên mang đặc tính khí quyển vùng nông thôn thể hiện ở phân mức thấp S1 đối với Cl- và phân mức P0 đối với SO2. Phân mức tính ăn mòn khí quyển ở mức thấp đối với thép và nhôm và ở phân mức trung bình đối với đồng và kẽm. Phân mức tính ăn mòn khí quyển được quyết định chủ yếu do yếu tố độ ẩm cao. Từ khóa: Tây Nguyên, Ăn mòn khí quyển, Phân mức ăn mòn. 1. MỞ ĐẦU Tính ăn mòn của khí quyển được định nghĩa là khả năng gây ra ăn mòn của khí quyển đối với một kim loại hay hợp kim đã cho. Tốc độ ăn mòn khí quyển của kim loại không chỉ bị ảnh hưởng bởi thời gian lưu ẩm (TOW) mà còn phụ thuộc vào các yếu tố của khí hậu như nhiệt độ, độ ẩm tương đối và sự có mặt của các chất ô nhiễm trong khí quyển như hơi muối (clorua) và SO2 làm quá trình ăn mòn diễn ra nhanh hơn [1-4]. Ở vùng khí hậu nhiệt đới thường có sự kết hợp của các yếu tố nhiệt độ cao, độ ẩm cao và lượng mưa đáng kể, vì vậy, thời gian thấm ướt thường rất cao. Việc xác định tính ăn mòn khí quyển của một khu vực sẽ cho ta thông tin về mức độ ăn mòn kim loại tại khu vực đó cao hay thấp và đưa ra biện pháp bảo vệ hiệu quả hơn. Tây Nguyên nằm ở Nam Trung Bộ, nối liền 2 miền Bắc Nam của đất nước, tiếp giáp với Hạ Lào và Bắc Campuchia, có vị trí chiến lược quan trọng. Chính vì vậy, Tây Nguyên là địa bàn chiến lược, có ý nghĩa đặc biệt quan trọng về quân sự. Nằm trong vùng nhiệt đới xavan, khí hậu ở Tây Nguyên được chia làm hai mùa: mùa mưa từ tháng 5 đến hết tháng 10 và mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4, trong đó, tháng 3 và tháng 4 là hai tháng nóng và khô nhất. Do ảnh hưởng của độ cao nên trong khi ở các cao nguyên cao 400–500 m khí hậu tương đối mát và mưa nhiều, riêng cao nguyên cao trên 1000 m thì khí hậu lại mát mẻ quanh năm, khá khác biệt với khí hậu so với các vùng miền khác của Việt Nam. Mặc dù rất có ý nghĩa về khoa học cũng như thực tiễn, nhưng đến nay chưa có một nghiên cứu nào về đánh giá đặc tính ăn mòn khí quyển của khu vực này. Mục đích của nghiên cứu là khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố khí hậu của Tây Nguyên đến tốc độ ăn mòn khí quyển của bốn loại kim loại tiêu chuẩn (thép carbon, đồng, nhôm và kẽm) và căn cứ theo tiêu chuẩn ISO 9223 phân mức tính ăn mòn của khu vực này. Việc khảo sát được tiến hành tại hai địa điểm là Kho 729 – Đức Trọng - Lâm Đồng và tại tiểu đoàn đảm bảo sân bay Pleiku – Gia Lai. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Thử nghiệm xác định tốc độ ăn mòn của các kim loại Các kim loại dùng để phơi xác định tốc độ ăn mòn là thép cacbon thấp, đồng, nhôm và kẽm có kích thước 100mm x 150mm x 3mm. Thành phần hóa học của Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. C. Tuấn, , L. Q. Phẩm, “Nghiên cứu đánh giá đặc tính Tây Nguyên – Việt Nam.” 148 mẫu, quá trình chuẩn bị mẫu, thu mẫu, xác định tốc độ ăn mòn và xử lý kết quả tuân thủ theo tiêu chuẩn ISO 9226 [4]. 2.2. Phương pháp xác định SO2 sa lắng Nguyên tắc của phương pháp là Sulfur dioxit (SO2) và các hợp chất lưu huỳnh có tính axit được hấp thụ trên bề mặt có tính kiềm làm từ các tấm giấy lọc xốp được tẩm bởi dung dịch natri hoặc kali cacbonat bão hòa (gọi là các tấm thu SO2). Các tấm thu SO2 có kích thước 100mm x 150mm được treo trên giá theo phương thẳng đứng và song song với hướng gió chính tại các khu vực khảo sát. Sau 1 tháng thử nghiệm các tấm mẫu được thu về phân tích và đánh giá theo ISO 9225 [5]. Tốc độ lắng đọng của sulfur dioxit được biểu thị bằng [mg /(m2.ngày)]. 2.3. Phương pháp xác định Cl- sa lắng bằng phương pháp nến ẩm Nguyên tắc của phương pháp là đầu thu của nến ẩm được tẩm ướt bằng dung dịch nến ẩm có diện tích tiếp xúc với khí quyển biết trước (thường chọn là 100 cm2). Nến ẩm được đặt hướng trực diện với hướng gió chính hoặc hướng nguồn phát thải (ví dụ như hướng ra biển). Hàm lượng muối trong không khí thổi qua nến ẩm được giữ lại. Sau một tháng thử nghiệm dung dịch thu mẫu được phân tích và xác định hàm lượng Cl- sa lắng theo ISO 9225 [5]. 2.4. Xác định thời gian thấm ướt bề mặt Nhiệt độ và độ ẩm tương đối được ghi lại liên tục một giờ một lần bằng thiết bị đo nhiệt ẩm tự động HUBO tại các khu vực khảo sát để xác định thời gian thấm ướt bề mặt (TOW). Khi độ ẩm tương đối lớn hơn 80% và nhiệt độ lớn hơn 0 oC thì được tính là 1 giờ thấm ướt bề mặt [5]. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Phân mức độ ăn mòn khí quyển theo dữ liệu môi trường 3.1.1. Đặc điểm sa lắng Cl- và phân mức ô nhiễm Cl- Kết quả đo hàm lượng Cl- sa lắng, tính trung bình theo tháng trong một năm được trình bày trong Hình 1. Hình 1. Biểu đồ tốc độ sa lắng Cl-. Theo giản đồ hình 1 nhận thấy hàm lượng Cl- sa lắng tại hai khu vực khảo sát là khá thấp, theo ISO 9223 đều nằm trong phân mức S1 (S1 tương ứng với tốc độ sa lắng Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 45, 10 - 2016 149 của clorua nằm trong khoảng từ 3 đến 60 mg/m2.ngày). Tốc độ sa lắng Cl- qua các tháng quan trắc không có sự biến động lớn. Tốc độ sa lắng Cl- trung bình quan trắc được tại Lâm Đồng là 13,11 mg/m2.ngày và ở Pleiku là 15,53 mg/m2.ngày. Nguyên nhân chủ yếu là do địa hình của khu vực này cao, nhiều rừng núi làm hạn chế sự phát tán hơi muối trong không khí từ biển thổi vào lục địa. Giá trị [Cl-] sa lắng theo tháng ở các khu vực này khá ổn định và có thể xem như giá trị cơ sở của chúng. 3.1.2. Đặc điểm sa lắng SO2 và phân mức ô nhiễm SO2 Hình 2. Biểu đồ tốc độ sa lắng SO2. Kết quả nhận được cho thấy nồng độ SO2 tại TP. Pleiku cao hơn so với tại Lâm Đồng. Nguyên nhân có thể do điểm quan trắc tại Pleiku nằm trong khu vực đô thị và nằm cạnh sân bay Pleiku. Chính vì vậy, nguồn phát thải SO2 nhiều hơn. Phân mức của mức độ ô nhiễm SO2 tại Pleiku đạt mức P1 (đạt 7,56 mg/m 2.ngày), đặc trưng cho khí quyển thành thị. Còn phân mức ô nhiễm SO2 tại kho C729 – Đức Trọng – Lâm Đồng đạt phân mức Po đạt 2,98 mg/m 2.ngày, đặc trưng cho khí quyển nông thôn. Tuy nhiên, mức độ ô nhiễm SO2 trong khí quyển đô thị tại khu vực Tây Nguyên vẫn ở ngưỡng khá thấp so với ngưỡng quy định của tiêu chuẩn ISO 9223. 3.1.3. Đặc tính nhiệt độ độ ẩm, thời gian lưu ẩm bề mặt (TOW) Bảng 1. Đặc trưng nhiệt - ẩm theo tháng tại Pleiku. Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Nhiệt độ (0C) Tr. bình 20,2 22,3 24,3 25 25 23,1 22,7 22,6 22,9 22,7 23,4 22,1 Cao nhất 29,2 32,6 34,5 33,7 31,2 28,6 30 28,6 29,5 29,8 30,9 30,4 Thấp nhất 12,5 14,6 15 17,9 20,2 18,7 18,3 19,3 19,6 17,5 17,4 15,1 TB năm 23,02 Độ ẩm (%) Tr. bình 72,7 69,6 69,7 75,8 79,1 88,9 88,9 90 88,6 79,3 77,7 73,3 Cao nhất 97 97 96 96 95 99 99 100 100 100 96 96 Thấp nhất 36 17 24 43 50 60 63 59 52 43 46 38 TB năm 79,3 TOW(h) 5261 – đạt phân mức τ4 Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. C. Tuấn, , L. Q. Phẩm, “Nghiên cứu đánh giá đặc tính Tây Nguyên – Việt Nam.” 150 Bảng 2. Đặc trưng nhiệt - ẩm theo tháng tại Lâm Đồng năm 2015-2016. Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Nhiệt độ (0C) Tr. bình 18,2 19,8 21,8 22,8 23,5 22,6 22,2 22,3 22,3 21,9 21,9 21,0 Cao nhất 20,9 21,3 24,0 24,0 24,5 24,6 23,8 23,8 23,4 23,0 22,7 23,1 Thấp nhất 15,2 17,1 20,1 21,3 20,9 21,4 20,6 20,9 20,9 20,3 20,5 17,6 TB năm 21,7 Độ ẩm (%) Tr. bình 72 70 68 80 83 86 87 84 85 84 79 77 Cao nhất 79 80 76 90 94 93 94 92 96 92 92 85 Thấp nhất 25 28 25 41 49 52 54 44 45 47 44 41 TB năm 80 TOW(h) 5137 – đạt phân mức τ4 Qua số liệu thống kê về nhiệt độ, độ ẩm và tính toán thời gian lưu ẩm bề mặt tại hai khu vực khảo sát đều cho thấy nhiệt độ ở khu vực Tây Nguyên là khá mát mẻ, tuy nhiên độ ẩm lại tương đối cao. Thời gian lưu ẩm bề mặt đạt trên 5000 giờ, đạt phân mức τ4. 3.1.4. Phân mức theo dữ liệu môi trường Theo ISO 9223, tính ăn mòn khí quyển cho các kim loại chuẩn thép cacbon, kẽm, đồng và nhôm được phân hạng căn cứ vào mức ô nhiễm khí quyển SO2 và Cl - (P và S) và thời gian thấm ướt bề mặt () theo bảng 3. Theo quy định, tính ăn mòn khí quyển trong ISO 9223 có 6 mức: mức C1 - rất thấp; mức C2 - thấp; mức C3 - trung bình; mức C4 - cao; mức C5 - rất cao và mức C5X - cực kỳ cao. Căn cứ vào dữ liệu môi trường quan trắc được trong một năm, áp dụng các công thức tính toán dự báo tốc độ ăn mòn đối với các kim loại tiêu chuẩn [2]: + Công thức dành cho thép: 0,52 0,62 or 1,77 exp(0,020 ) 0,102 exp(0,033 0,040 )c r d St dr P RH f S RH T           0,150 ( 10)Stf T   khi 10T  oC; trường hợp còn lại 0,054 ( 10)Stf T    + Công thức dành cho kẽm: 0,44 0,57 or 0,0129 exp(0,046 ) 0,0175 exp(0,008 0,085 )c r d Zn dr P RH f S RH T           0,038 ( 10)Znf T   khi 10T  oC; trường hợp còn lại 0,071 ( 10)Znf T    + Công thức dành cho đồng: 0,26 0,27 or 0,0053 exp(0,059 ) 0,01025 exp(0,036 0,049 )c r d Cu dr P RH f S RH T           0,126 ( 10)Cuf T   khi 10T  oC; trường hợp còn lại 0,080 ( 10)Cuf T    + Công thức dành cho nhôm: 0,73 0,60 or 0,0042 exp(0,025 ) 0,0018 exp(0,020 0,094 )c r d Al dr P RH f S RH T           0,009 ( 10)Alf T   khi 10T  oC; trường hợp còn lại 0,043 ( 10)Alf T    Trong đó: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 45, 10 - 2016 151 rcorr: Tốc độ ăn mòn năm đầu tiên của kim loại, biểu diễn micromet trên năm (μm/năm); T: Nhiệt độ trung bình hàng năm , biểu diễn (oC); RH: Độ ẩm tương đối trung bình hàng năm ,biểu diễn (%); Pd: Tốc độ sa lắng SO2 trung bình hàng năm, biểu diễn [mg/m 2.d)]; Sd: Tốc độ sa lắng Cl - trung bình hàng năm, biểu diễn [mg/(m2.d)]. Bảng 3. Kết quả phân mức tính ăn mòn khí quyển đối với các kim loại dựa trên dữ liệu môi trường. Địa điểm Chỉ tiêu, đơn vị Thép Đồng Kẽm Nhôm Lâm Đồng rcorr, μm/năm 25,0 1,3 1,4 0,4 Phân mức C2 C3 C3 C3 Pleiku rcorr, μm/năm 31,4 1,5 1,6 0,5 Phân mức C3 C3 C3 C3 Sử dụng cách phân loại này, đặc tính ăn mòn khí quyển của khu vực Tây Nguyên đối với các kim loại đồng, kẽm và nhôm tiêu chuẩn đều ở mức C3 – mức trung bình; còn đối với thép carbon thì đạt phân mức C2 – mức thấp tại khu vực khí quyển nông thôn (Đức Trọng – Lâm Đồng) và đạt phân mức C3 tại khu vực khí quyển đô thị (Pleiku – Gia Lai). Tốc độ ăn mòn đối với bốn mác kim loại tiêu chuẩn của khí quyển nông thôn thấp hơn so với vùng khí quyển đô thị, tuy nhiên mức độ khác biệt là không lớn. Điều này chứng tỏ mức độ ô nhiễm của khí quyển đô thị của khu vực Tây Nguyên là không đáng kể. 3.2. Phân mức tính ăn mòn khí quyển theo tốc độ ăn mòn mẫu kim loại tiêu chuẩn Bốn loại kim loại tiêu chuẩn (thép carbon, đồng, nhôm, kẽm) được tiến hành phơi mẫu tự nhiên tại hai khu vực khảo sát để xác định tốc độ ăn mòn sau năm đầu tiên. Mẫu sau một năm thử nghiệm được tẩy sản phẩm ăn mòn và tính tốc độ ăn mòn theo [4]. Kết quả được thể hiện trong bảng 4. Bảng 4. Tốc độ ăn mòn kim loại (rcorr) trong năm đầu tiên phơi mẫu đối với các kim loại. Địa điểm Chỉ tiêu, đơn vị Thép Đồng Kẽm Nhôm Lâm Đồng rcorr, μm/năm 9,7 1,3 1,9 0,1 Phân mức C2 C3 C3 C2 Pleiku rcorr, μm/năm 11,9 1,2 1,8 0,3 Phân mức C2 C3 C3 C3 Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. C. Tuấn, , L. Q. Phẩm, “Nghiên cứu đánh giá đặc tính Tây Nguyên – Việt Nam.” 152 Kết quả tốc độ ăn mòn của thép carbon, nhôm thấp hơn khá nhiều so với kết quả tính toán tốc độ ăn mòn thép dựa theo dữ liệu môi trường. Các công bố [6,7], cũng đã xác nhận rằng khi kim loại phơi nhiễm trong khí quyển nông thôn, có nồng độ tác nhân ăn mòn ít thì kết quả phân mức tính ăn mòn khí quyển theo dữ liệu môi trường thường cao hơn dữ liệu phơi mẫu kim loại thực tế. Nguyên nhân có thể là do phương pháp tính tốc độ ăn mòn dựa vào dữ liệu môi trường chưa tính đến khả năng bảo vệ kim loại của các sản phẩm ăn mòn sau khi tạo thành. Khi độ dày của lớp sản phẩm ăn mòn càng lớn thì sự cản trở việc xâm nhập của các tác nhân ăn mòn tấn công vào kim loại càng khó và lâu hơn. Chính vì vậy, làm giảm tốc độ ăn mòn theo tính toán lý thuyết. Các kim loại đồng, kẽm có lớp sản phẩm ăn mòn nhỏ hơn nên có thể ít bị ảnh hưởng hơn thép. Đối với nhôm, với lớp ô xít tạo thành trên bề mặt mẫu khá bền vững, nên cũng có khả năng bảo vệ cho lớp kim loai nhôm bên trong. Sự khác nhau này còn có thể do vai trò của Cl- và SO2; khu vực Tây Nguyên có địa hình cao, xa biển, mức độ đô thị hóa, công nghiệp hóa chưa cao nên hàm lượng của hai tác nhân Cl- và SO2 thấp. Do vậy, sự tác động ăn mòn kim loại của chúng kết hợp với tác nhân độ ẩm cũng giảm. Mặt khác, với hàm lượng tác nhân ăn mòn yếu nên các sản phẩm ăn mòn thụ động trở lại bề mặt, giúp tăng khả năng bảo vệ các mẫu kim loại khi phơi mẫu trực tiếp. Phương pháp phân hạng ăn mòn khí quyển dựa theo tốc độ ăn mòn mẫu chuẩn cho phổ phân mức rộng hơn, có thể là chính xác hơn, song không cho biết yếu tố môi trường chủ yếu ảnh hưởng đến tính ăn mòn kim loại. 4. KẾT LUẬN 1. Khí hậu của khu vực Tây Nguyên mang đặc tính khí quyển vùng nông thôn với nồng độ Cl- và SO2 ở mức thấp S1 và P0. Tác nhân độ ẩm cao là yếu tố chính làm tăng phân mức ăn mòn khí quyển đối với các kim loại. 2. Kết quả khảo sát cho thấy khu vực Tây Nguyên có phân mức ăn mòn thấp đối với thép và nhôm và phân mức ăn mòn trung bình đối với đồng và kẽm. Lời cảm ơn: Công trình này được hoàn thành với sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài “Nghiên cứu đề xuất giải pháp xây dựng mô hình giảm thiểu tác động bất lợi của các yếu tố môi trường vùng Cao Nguyên đến hoạt động quân sự của lực lượng vũ trang tỉnh Lâm Đồng”. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. ISO 8044:1989, Corrosion of metals and alloys - Vocabulary. [2]. ISO 9223:1992, Corrosion of metals and alloys, Corrosivity of atmospheres. Classification. [3]. ISO 9224:1992, Corrosion of metals and alloys - Corrosivity of atmospheres - Guiding values for the corrosivity categories. [4]. ISO 9226:1992 Corrosion of met als and alloys - Corrosivity of atmospheres - Determination of corrosion rate of standard specimens for the evaluation of corrosivity. [5]. ISO 9225:1992 Corrosion of metals and alloys - Corrosivity of atmospheres - Measurement of pollution. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 45, 10 - 2016 153 [6]. J.G. Castano, , C.A. Botero, A.H. Restrepo, E.A. Agudelo, E. Correa, F. Echeverria, “Atmospheric corrosion of carbon steel in Colombia”, Corrosion Science, Volume 52, Issue 1, P 216–22, 2010. [7]. F. Corvo, C. Haces, N. Betancourt, L. Maldonado, L. Véleva, M. Echeverria, O. T. De Rincón, A. Rincon, “Atmospheric corrosivity in the Caribbean area”, Journal: Corrosion Science - Vol. 39, no. 5, pp. 823-833, 1997 ABSTRACT STUDIES ASSESSING ATMOSPHERIC CORROSION PROPERTIES IN THE CENTRAL TAY NGUYEN – VIET NAM This article presents the experimental determination of the atmospheric corrosion in the Central Highlands region, Vietnam. Results in the atmosphere corrosion is at a low level for the steel and aluminum and the average level for copper and zinc. They also showed that the atmosphere of the Highland area characteristics rural atmosphere reflected in a low S1 for Cl level and Po for SO2 level. The distribution of corrosive atmospheric levels are determined mainly by the high humidity factor. Keywords: Tay Nguyen, Atmospheric corrosion, Corrosive categories. Nhận bài ngày 13 tháng 7 năm 2016 Hoàn thiện ngày 08 tháng 8 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 26 tháng 10 năm 2016 Địa chỉ: 1 Viện Công nghệ mới/Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; 2 Trung tâm Nhiệt đới Việt – Nga; * Email: tuansintep@gmail.com