12. Protecţia catodică cu anozi de sacrificiu

Principiul lucrǎrii:Coroziunea este un proces ireversibil de distrugere a metalelor sub actiunea diversilor

factori corozivi (aer, acizi, baze, gaze). Daca mediul este rau conducator de electricitate (gaze), se produce corodarea chimica, iar daca este bun conducator (electroliti) are loc corodarea electrochimica a metalelor.

Coroziunea se explica prin reactia dintre metal si agentul coroziv din mediu, reactie electrochimica (de oxido-reducere), la care participa atat ioni cat si electroni. Ea are loc la interfata M/mediu coroziv si este spontana si ireversibila.

Protecţia catodică cu anozi de sacrificiu este o metodă electro-chimică de protecţie împotriva coroziunii ce se aplică la construcţiile metalice în contact cu solul, apa mărilor sau atmosfera (conducte de oţel pentru transportul fluidelor, stâlpi metalici de susţinere, rezervoarele, cazanele, coloanele de extracţie, cablurile etc).

Principiul metodei de protecţie catodică constă în modificarea potenţialului de coroziune al sistemului metalic de protejat spre valori atât de negative încât coroziunea să nu mai poata avea loc.

Protecţia catodică cu anozi de sacrificiu se realizează practic prin fixarea pe suprafaţa metalică de protejat a unor bare, plăci, benzi metalice speciale denumite anozi de sacrificiu, anozi solubili sau anozi activi. Anozii de sacrificiu sunt alcătuiţi dintr-un metal sau aliaj cu potenţial de coroziune în mediul dat mai negativ decât al metalului de protejat. De exemplu: pentru protecţia sistemelor pe bază de Fe se folosesc Zn, Al, Mg şi aliajele lor.

Reacţiile chimice în coroziunea cu depolarizare de hidrogen sunt:În medii acide: Reacţie de ionizare a metalului (oxidare), MM+z +ze-

Fe Fe+2 + 2e-

şi Reacţie de depolarizare (reducere), zH++ze- z/2 H2 2H+ + 2e- H2

Reacţie globală: M+ zH+ M+z + z/2 H2, Fe + 2H+ Fe+2 + H2

În medii neutre şi alcaline: Reacţie de oxidare, MM+z +ze-

Fe Fe+2 + 2e- Reacţie de depolarizare (reducere), zH2O+ze- zOH- + z/2 H2

2H2O+2e- 2OH- + H2

Reacţie globală: M + zH2O M+z + zOH- + z/2 H2,

Fe + 2H2O Fe+2 + 2OH- + H2

Coroziune cu depolarizare de oxigen:În medii acide:Reacţie de oxidare, MM+z +ze-

Fe Fe+2 + 2e-

Reacţie de depolarizare, zH++z/4 O2 +ze- z/2H2O 2H++1/2 O2 +2e- H2O

Reacţie globală: M+ zH++z/4 O2 M+z +z/2H2O,Fe+ 2H++1/2 O2 Fe+2 +2H2O

În medii neutre şi alcaline: Reacţie de oxidare, MM+z +ze-

Fe Fe+2 + 2e-

Reacţie de depolarizare (reducere), z/2 H2O +z/4O2+ze zOH- H2O +1/2O2+2e- 2OH-

Reacţie globală: M+z/2 H2O +z/4O2 M(OH)z,Fe+ H2O +1/2O2 Fe(OH)2

Eficienţa protecţiei catodice cu anozi de sacrificiu este asigurată de menţinerea constantă a potenţialului de protecţie impus. Controlul protecţiei catodice se realizează prin măsurarea potenţialului de coroziune al sistemului metalic de protejat faţă de un electrod de referinţă prin intermediul unui voltmetru electronic.

Aparatură şi substanţe: electrozi de Fe, Cu, Zn, Al şi electrodul de referinţă Cu/CuSO4, medii corozive: acid, neutru şi alcalin, instrument universal de măsură.

Mod de lucruPlăcuţele (electrozii) de Zn, Fe, Al, Cu se curăţă cu hârtie de şmirghel si se spala cu

apa de la robinet si apoi cu apa distilata, înaintea fiecărei măsurători. Se alcătuiesc pilele galvanice de coroziune indicate de cadrul didactic, ca de exemplu:

(-) Fe/mediu coroziv//electrod de referinţă (+)(-) Fe+M /mediu coroziv//electrod de referinţă (+),

unde: M este Zn, Fe, Al, Cu, iar mediul coroziv va fi: NaCl 1N, NaOH 0.1N, H 2SO4 0,1N succesiv.

Pilele electrochimice indicate de cadrul didactic, se realizează conform figurii 1.

Metalul de protejat se introduce in mediul coroziv si reprezinta polul negativ (anodul) al pilei electrochimice, unde are loc reactia de oxidare. Iar polul pozitiv (catodul) al pilei electrochimice este alcatuit din electrodul de referinta (Cu/CuSO4), unde are loc reactia de reduce cu depolarizare de hidrogen sau oxigen, in functie de mediul coroziv.

Electrozii pilei electrice se leagă la bornele aparatului de măsură astfel încât t.e.m. (Eexp) să fie pozitivă, adica anodul la (-) si catodul la (+).

Circuitul este inchis prin intermediul puntii de sare (3), alcatuita din hartie de filtru inmuiata in intregime in solutie de KCl sat. Puntea de sare se reinoieste pentru fiecare sistem in parte.

Fig. 1. Celulǎ electrochimicǎ

1. celula electrolitică; 2. M - Zn, Al sau Cu; 3. punte electrolitică; 4. electrod de Cu/CuSO4;

5. multimetru.

Rezultate şi calcule: Se notează într-un tabel (tabel 1) pentru fiecare pilă electrică studiata mărimea tensiunii electromotoare, (Eexp), după două minute când se atinge o valoare relativ constantă; Se calculează potenţialul de electrod al sistemelor studiate pe baza relaţiei:

în care=0.34 [V], iar sistemul metalic este de exemplu: Fe, Fe+Zn, Fe+Al, Fe+Cu.Deci = 0.34 – Eexp

Rezultatele obţinute din măsurătorile experimentale şi din calcule se înscriu într-un tabel conform modelului:

Tabel 1

Nr. det. Pila galvanică de coroziune

Eexp

[V]

sistem

[V]

Anod de sacrificiu

1

2

3

Interpretarea rezultatelor: În funcţie de valoarea potenţialului sistemului metalic studiat se apreciază care metal

este cel mai bun protector pentru metalul de protejat, într-un mediu coroziv dat.Sǎ se scrie reacţiile redox pentru fiecare sistem studiat, conform reactiilor indicate la

principiul lucrarii.

Exerciţii: Sa se scrie rectiile de ionizare a metalului de protejat (Fe) si a sistemului protejat Fe+ M/mediu coroziv in care M este Zn, Mg, Al, reactiile de reducere pentru coroziunea cu depolarizare de hidrogen si oxigen in mediu neutru, alcalin si acid.

2. Care din urmatoarele metale sunt recomandate pentru a fi folosite ca anod de sacificiu pentru a proteja impotriva coroziunii conductele de Fe ingropate in pamant a)Al; b) Mg; c) Na; d) Pb; e)Ni; f) Zn

Scrieti reactiile de coroziune ce au loc pentru fiecare caz in parte. Se cunosc potentialele standard:

3. Pentru a proteja fierul de coroziune in mediu acid se fixeaza pe suprafata lui o bara de zinc.a) Scrieti reactiile ce au loc inainte de fixarea barei de zinc si dupa fixarea ei; b) calculate cantitatea de fier corodata pana la folosirea barei de zinc, presupunand ca volumul de gaz degajat (c.n) poate reduce 3,54 g CuO.