Кинетика катодного выделения водорода на железе и его диффузия через стальную мембрану в этанольных растворах HCl Матвеева Марина Васильевна

Введение к работе

Актуальность темы. Катодная реакция выделения водорода (РВВ) явилась базовой для исследования и обобщения закономерностей электрохимической кинетики Ей посвящено огромное количество работ, но, тем не менее, она и сегодня вызывает серьезный теоретический и практический интерес Он обусловлен как позитивными факторами, связанными с ее протеканием, в том числе проблемами водородной энергетики, так и с негативным проявлением в процессах коррозии металлов Таким образом, в прикладном плане в одних условиях РВВ целесообразно стимулировать, в других - подавлять

Диффузионные процессы, протекающие в металлах как в условиях их эксплуатации в природных и технологических жидких и газовых средах, так и при различных видах технологических операций в химической, нефтеперерабатывающей промышленности, при добыче нефти и газа, при подготовительных операциях в гидроэлектрометаллургии и гальванотехнике, приводят к сильному ухудшению физических и химических свойств металла вследствие изменения его электронной структуры, межатомых взаимодействий и фазово—структурного состояния Возникающая при этом опасность адсорбции водорода в атомарной форме приповерхностными слоями металла, в частности, стали, трудно заменимой по технологическим, экологическим и экономическим соображениям, ведет к диффузии водорода в его глубинные слои, способствуя тем самым макроскопическим изменениям объема и параметров кристаллической решетки Это, в конечном счете, губительно сказывается на прочностных характеристиках металла, ведет к появлению механических напряжений и трещин в его поверхностном слое, водородной хрупкости и преждевременному разрушению металлоконструкций

Взгляды многих исследователей на механизм и кинетику проникновения водорода в металл часто существенно различаются, а экспериментальные результаты подчас противоречивы Многочисленные данные по изучению кинетики реакции выделения водорода и механизма наводороживания металлической фазы получены в водных растворах Систематические исследования РВВ в неводных средах и средах со смешанным водно - органическим растворителем весьма ограничены, что существенно затрудняет понимание различных аспектов роли растворителя и как среды, и как реагента в этих процессах Однако проведение исследований в подобных условиях позволяет выявить влияние сольватной формы протонов, находящихся в ДЭС и объеме раствора, природы молекул растворителя, определяющих характер поверхностной сольватации, в полной мере учесть закономерности и условия латеральной диффузии атомов водорода, определяемые различной природой адсорбированных частиц системы и энергетической характеристикой поверхности металла Принципиально важной является и оценка с единых

позиций одновременного воздействия природы растворителя и стимуляторов процесса твердофазной диффузии (ТД), позволяющая получить существенно новую информацию о закономерностях РВВ и ТД водорода в металл

Выбор в настоящей работе в качестве неводного растворителя этанола обусловлен определенной близостью его свойств с водой и одновременным их различием в адсорбционной, сольватирующей и ионизирующей способности, величинах диэлектрической проницаемости и ионного произведения растворителя

В настоящей работе в параллельных экспериментах изучены кинетика разряда ионов водорода на железе армко и закономерности ТД водорода через стальную мембрану (СтЗ) из растворов системы С₂Н₅ОН-Н₂0-НС1 (с постоянной ионной силой, равной 1), в том числе и содержащих роданид калия как стимулятор наводороживания (СН)

Цель работы: изучить влияние природы и состава смешанного растворителя в системе С₂Н₅ОН-Н₂0-НС1, концентрации KCNS как СН на кинетику и механизм реакции выделения водорода на железе армко и поток твердофазной диффузии водорода в углеродистую сталь

Задачи работы:

1. Исследовать кинетику и механизм катодного восстановления ионов водорода на Fe в системе С₂Н₅ОН-Н₂0-НС1 при постоянных потенциале (Е) и перенапряжении (г]_н) как функцию природы и состава растворителя, концентрации и характера сольватной формы разряжающегося протона, природы молекул, сольватирующих поверхность металла

2. Оценить влияние концентрации KCNS и содержания воды на кинетику и механизм РВВ на железе в этанольных растворах НС1

3. Изучить влияние концентрации Н *,_v в различной сольватной форме и KCNS на диффузию водорода через стальную мембрану при Е_кор в растворах системы С₂Н₅ОН-Н₂0-НС1 и сопоставить с кинетикой и механизмом РВВ на Fe

4. Исследовать влияние катодной и анодной поляризации входной стороны стальной мембраны на величину потока диффузии водорода (і_н) из этанольных растворов НС 1 как функцию С_воды, С_н⁺, их сольватной формы и наличия KCNS

Научная новизна

1 Изучена кинетика РВВ на Fe как функция природы и состава смешанного этанольно-водного растворителя и выяснено влияние сольватной формы разряжающегося протона(Н₃0⁺ и С₂Н₅ОН₂⁺) и природы частиц, сольватирующих поверхность металла (С₂Н₅ОН_адс и Н₂О_адс), на механизм процесса и природу замедленной стадии

2. Установлено влияние содержания Н₂0 и C_Kcns на кинетику и механизм катодного восстановления ионов водорода на Fe в этанольных растворах НС1 с постоянной ионной силой, равной 1

3. Исследованы, сопоставлены и обобщены особенности РВВ и потока ТД водорода в сталь при Е_кор из растворов системы С₂Н₅ОН-Н₂0-НС1 как функции концентрации Н₂0, KCNS и кислотности среды

4. Оценено влияние катодной и анодной поляризации входной стороны стальной мембраны на диффузию водорода из этанольных растворов НС1 с постоянной ионной силой, содержащих различные концентрации воды и KCNS

5 Исследовано влияние катодной поляризации входной стороны
стальной мембраны и С_н⁺ на соотношение скоростей РВВ и диффузии водо
рода в сталь из этанольно-водных растворов хлористого водорода

Прикладное значение. Полученные результаты могут быть использованы работниками исследовательских лабораторий и коррозионных служб промышленных предприятий для разработки методов снижения наводоро-живания металлов и предотвращения их разрушения, учтены при борьбе с водородной хрупкостью Они важны для создания общей теории наводоро-живания, полезны при разработке и чтении общих и специальных курсов по вопросам коррозии металлов и электрохимии студентам ВУЗов

Автор защищает

экспериментально полученные и обобщенные кинетические закономерности и механизм катодного восстановления ионов водорода в этанольных растворах НС1 как функцию С_воды, C_KCNS, природы молекул растворителя, сольватирующих металлическую поверхность при постоянном потенциале и перенапряжении,

связь потока ТД водорода в углеродистую сталь из растворов системы С₂Н₅0Н-Н₂0-НС1 с сольватной формой и концентрацией H*_lv, Н₂0 и

KCNS (СН) при Е_кор входной стороны мембраны (ВСМ),

- установленное влияние катодной и анодной поляризации на диффу
зию водорода через стальную мембрану из кислых хлоридных этанольных
растворов, содержащих KCNS и 0,45 - 18 мае % воды,

-особенности связи кинетики и механизма разряда H*_olv с экспериментально полученными закономерностями твердофазной диффузии в углеродистую сталь (СтЗ) из этанольно-водных растворов НС1, содержащих KCNS,

- влияние катодной поляризации входной стороны стальной мембра
ны и С_н⁺ на соотношение скоростей РВВ и диффузии водорода в сталь

Апробация работы Материалы исследования докладывались на международной конференции «Химия в Московском университете в контексте российской и мировой науки» (Москва, МГУ, 2004), на П-й и Ш-й Всерос-

сийских конференциях «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах ФАГРАН» (Воронеж, 2004, 2006), на V-й региональной научно-технической конференции «Вопросы региональной экологии» (Тамбов, 2002), на Х-й межрегиональной научно - технической конференции «Проблемы химии и химической технологии» (Тамбов, 2003), на научных конференциях преподавателей, сотрудников и аспирантов Тамбовского государственного университета им Г Р Державина (Тамбов, 2002 - 2006)

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах, в том числе в 3, напечатанных в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации содержания диссертаций, отражено в 9 материалах докладов

Объем работы. Диссертация содержит 195 страницы машинописного текста, в том числе 49 рисунков, 8 таблиц и состоит из введения, 4 глав и обобщающих выводов Список цитируемой литературы включает 194 наименования работ отечественных и зарубежных авторов

Похожие диссертации на Кинетика катодного выделения водорода на железе и его диффузия через стальную мембрану в этанольных растворах HCl

Влияние гуанидина и фенилбигуанидина на кинетику реакции выделения водорода на железе и его диффузию через стальную мембрану в этиленгликолевых растворах HC1Балыбин, Дмитрий Викторович

Влияние As(V) и воды на кинетику разряда H^+_solv на железе и диффузию водорода через стальную мембрану в кислых этиленгликолевых средах Копылова Елена Юрьевна

Влияние природы объемной и поверхностной сольватации и заряда поверхности на кинетику РВВ на железе и диффузию водорода через стальную мембрану в системы C2H4(OH)2-H2O-H+-(NH2)2CSАлехина Ольга Владимировна

Влияние сольватационных эффектов и пиридина на кинетику реакции выделения водорода и его диффузию через стальную мембрану в кислых этиленгликолевых растворахЗарапина Ирина Вячеславовна

Влияние ряда добавок на кинетику реакции выделения водорода и его диффузию через стальную мембрану в кислых хлоридных средахПротасов Артем Сергеевич

Влияние природы растворителя на диффузию водорода через стальную мембрану в кислых хлоридных растворахДьячкова Татьяна Петровна

Кинетика электрохимического мембранного выделения анилина и морфолина из промышленных стоков органического синтезаРябинский Михаил Андреевич

Определение констант скоростей реакции выделения водорода на углеродистой стали и его твердофазной диффузии в кислых средахКосьяненко Евгений Сергеевич

Влияние атомарного водорода на закономерности коррозии и анодного растворения железаМалеева Марина Алексеевна

Микродеформация и повреждаемость железа и стали, активируемые диффузией водородаШашкова, Лидия Владимировна