Estudio resistivo de electrolitos

Universidad de Santiago de Chile
ESTUDIO RESISTIVO DE ELECTROLITOS UTILIZANDO CELDA HULL.
Autores: Christian Hizmeri – Gerardo Cifuentes.
Departamento de Ingeniería Química – Departamento de Ingeniería Metalúrgica.
Santiago – Chile – 2012
Palabras clave: Corrosión electroquímica, Celda Hull, Resistencia, Resistividad, Electrolito
RESUMEN
La corrosión se da a lugar en base a fenómenos electroquímicos por lo cual es de vital
importancia conocer los electrolitos involucrados, la característica más importante para
determinar la agresividad de un electrolito es la resistividad que comúnmente es medida
mediante el empleo del método de las 4 puntas. En esta investigación se realiza un
estudio resistivo de electrolitos, pero con un método totalmente diferente al tradicional, se
utiliza una celda de Hull, que es comúnmente utilizada en estudios de galvanoplastia. Con
esta celda se encuentra un modelo matemático que describe la resistividad en función de
parámetros iniciales de corriente y voltaje. Todas las muestras utilizadas reflejan un
comportamiento fuertemente lineal de la resistencia en función de la distancia y. los
valores de resistividad calculados mediante el modelo concuerdan con valores de
bibliografía, por lo tanto es posible validar el modelo de resistividad encontrado.
ABSTRACT
Corrosion is based on electrochemical phenomena, therefore is of vital importance to
know the electrolyte involved, the most important characteristic for determining the
aggressiveness of an electrolyte is the resistivity which commonly is measured by
employing of the method of the 4 electrodes. This research involve a study resistive of
electrolyte using a method totally different to the common method, in this case is used a
Hull Cell commonly used in electroplating processes. With this cell is possible to find a
mathematical model that describes the resistivity as a function of initial parameters of
current and voltage. All samples that were used indicate a strong linear relation of the
resistance as a function of distance. May be said that the resistivity values calculated by
the model are consistent with literature values, therefore is possible to validate the model
found.
1
Universidad de Santiago de Chile
1.
INTRODUCCIÓN
1.1
La corrosión
sales
fundidas,
líquidos
orgánicos,
soluciones ácidas, álcalis u otras.
1.2
Electrolitos en la corrosión
La corrosión es uno de los problemas
más considerables que se encuentran
En
propietarios y operadores de estructuras
estructuras enterradas y sumergidas los
metálicas, ya sea si están enterradas,
electrolitos
sumergidas, aéreas, etc. En el transcurso
fundamental
de la historia muchas han sido las
cinética de los fenómenos que se llevan
definiciones que se han entregado sobre
a cabo, desde este punto de vista la
el fenómeno conocido con el nombre de
característica
corrosión, siendo la más precisa la que lo
determinara si el medio en el cual una
describe como un proceso en donde el
estructura metálica está inmersa será
metal
agresivo o no desde el punto de vista de
se
degrada
por
objeto
de
la
corrosión
electroquímica
presentes
en la
más
juegan
un
de
rol
termodinámica y
importante
que
reacciones químicas y electroquímicas
la corrosión será la resistividad.
que se dan lugar en un medio en el que
En esta investigación se estudiará el
adoptan la tendencia a volver a su
comportamiento resistivo de distintos
estado natural.
electrolitos, sólidos y líquidos, por lo que
será
Si bien lo fenómenos corrosivos pueden
darse a lugar ya sea en estructuras que
están aéreas, enterradas o sumergidas,
en esta investigación se abordarán las
dos últimas debido a que en este tipo de
corrosión
relevante
terrenos
tiene
el
una
por
ejemplo
en
presentes,
presencia
de
pH,
bacterias
resistividad,
anaerobias,
concentración de oxígeno, etc. Mientras
que
en
el
caso
los
conceptos que permitan relacionar la
incidencia de la capacidad resistiva de un
electrolito con el desarrollo del fenómeno
corrosivo y
los posibles métodos de
protección.
de
1.3
Método de las 4 puntas
serán
factores importantes la concentración de
sales
comprender
participación
electrolito presente,
sólidos
importante
estructuras
sumergidas la naturaleza del electrolito
puede ser agua de mar, agua potable,
Comúnmente
resistividad
las
de
mediciones
suelos
se
de
realizan
mediante el método de las 4 puntas de
Wenner. El procedimiento requiere clavar
cuatro varillas metálicas en la tierra,
sobre
una
línea,
equidistantes.
La
separación entre las varillas equivale a la
profundidad de la resistividad promedio
2
Universidad
d de Santiago de Chile
del suelo, como se indica en la Figura
1.4
Celda Hull
1.1.
Es
una
celda
electrolítica
usada
La resistividad promedio del suelo está
comúnmente en estudios de corrientes
en función de la caída de potencial entre
en
el par central de varillas con la corriente
como electroplateado,
teado, proceso en el
circulando entre las dos varillas externas.
cuál, a través de la electricidad, se puede
galvanoplastia,
vanoplastia,
también
conocida
depositar un metal sobre un electrodo.
Para este fin se aplica una diferencia de
potencial entre dos placas sumergidas
para generar una corriente eléctrica que
permitirá electro depositar un metal sobre
s
el objeto que se ha de galvanizar,
(cátodo).
Figura1.1: Método de cuatro puntas.
Es
importante
tante
que
se
poseer las placas electródicas en forma
encuentren sobre una línea recta y que
paralela, como se puede observar en la
sean
n
Figura . Las placas son de acero
equidistantes
las
varillas
varill
La celda de Hull se caracteriza por no
entre
sí.
La
resistencia “R” para cada separación de
inoxidable 316L.
varillas “a”, es la resistencia desde el
nivel
de
la
superficie
hasta
una
profundidad igual a la separación entre
varillas.
Usando este método, la resistividad del
suelo
se
puede
determina
determinar
de
la
siguiente forma:
ρ 2∗π∗R∗a
Donde:
Figura 1.2: Celda Hull.
La característica de no poseer los
•
ρ: Resistividad (Ω
Ω cm).
•
R: Resistencia (Ω).
al aplicar una diferencia de potencial, a
•
a: Separación entre varillas (cm).
través de un electrolito, se puedan
electrodos en forma paralela permite que
3
Universidad de Santiago de Chile
obtener distribuciones de corriente, esto
A
principalmente debido a como se tienen
procedimientos realizados para la toma
distintas distancias inter electródicas,
de muestras experimentales:
esto
provoca
que
se
presenten
resistencias distintas y por ende mayores
corrientes
en
pequeños
espacios
interelectródicos y menores corrientes en
espacios interelectródicos mayores.
distintos
con
a
fines
los
galvanoplastia,
absolutamente
empleados
será
por
empleada
la
para
determinar un método de medición de
resistividad diferente al ya existente
(Método de las 4 puntas).
2.
estudio
fueron
utilizadas
del país, Viña del Mar y La Serena, y
de
terreno
Hull
con
el
Conectar el terminal positivo de la
comportará como ánodo y el terminal
negativo al electrodo que se comportará
como cátodo. En el cable que une el
ánodo con el terminal positivo de la
fuente interponer en serie un tester para
medir la corriente que está pasando a
través de la celda. Ver Figura 2.1.
muestras de agua de mar de dos zonas
muestras
celda
los
fuente de voltaje al electrodo que se
3.
este
la
describen
altura de 10 cm.
MATERIALES Y METODOS
Para
Llenar
se
electrolito a estudiar alcanzando una
2.
En esta investigación la Celda Hull será
utilizada
1.
continuación
sólidas
de
3
Encender la fuente de Voltaje
fijando una diferencia de potencial entre
ánodo y cátodo y anotar este valor, (VF).
4.
Leer del tester el valor de la
corriente de celda (IC).
distintas zonas del país, Viña del Mar, La
Utilizando un segundo tester, se
Serena y Huasco. En la tabla siguiente
5.
se describen los equipos que fueron
procede a medir el potencial anódico.
utilizados:
Para esto se conecta un electrodo de
referencia de Cu/CuSO4 al tester, y el
Tabla 2.1: Equipos utilizados
Equipo
Fuente de
Corriente
continua
Multímetro
Multímetro
Horno
otro terminal al ánodo. Para asegurar
Marca
Modelo
MCP Lab
Electronics
M10-SP305E
Digital
Multimeter
GB
Instruments
Memmert
una óptima lectura del potencial anódico
se recomienda posicionar el electrodo de
referencia dentro del electrolito y lo más
DT-830B
cerca del ánodo pero sin que tenga
GDT-11
contacto físico con este último. En la
-
Figura 2.1 se pueden observar los puntos
4
Universidad
d de Santiago de Chile
“A”,
“B”
y
“C”,
estos
representan
mediciones de potencial anódico.
Volver al punto 3, fijar un nuevo
7.
voltaje y continuar con los pasos 3 a 7.
Considerar
nsiderar que al medir muestras sólidas
es recomendable
comendable tamizar
tam
previamente
las muestras y utilizar un algodón
humedecido
decido con agua destilada para
mejorar el contacto de la muestra con el
electrodo de referencia.
3.
RESULTADOS Y DISCUSIONES
3.1
Linealidad
Figura 2.1: Medición de potencial
anódico.
De forma análoga puede medirse
En la Figura 3.1 se puede observar una
el potencial catódico, solo es necesario
dependencia lineal entre el valor de
cambiar el cable desde el ánodo al
resistencia y distancia, el coeficiente de
cátodo. Con la diferencia que en el
correlación igual a 0,988972 refleja una
cátodo se medirán potenciales a lo largo
relación fuerte entre ambas variables.
variables
6.
del electrodo. En la Figura 2.2se
2.2 puede
observar que
ue los puntos “D”, “E”, “F” y
“G” representan mediciones de potencial
catódico.
Figura 3.1: Resistencia v/s distancia
para muestra sólida Viña del Mar.
Todas las muestras de terreno y de agua
Figura 2.2: Medición de potencial
catódico.
de mar presentaron la misma relación
lineal entre los valores de resistencia y la
distancia.
5
Universidad de Santiago de Chile
3.2
Comparación de electrolitos
En la Figura 3.2 se puede observar que
la muestra de Huasco presenta los
A continuación los valores de resistencia
en función de la distancia para los 3
electrolitos sólidos estudiados a tres
grados distintos de humectación
valores de resistencia más altos, luego la
muestra de La Serena y por último la
muestra de Viña del Mar. La presencia
de sales como cloruros o sulfatos, el pH,
la presencia de bacterias, entre otras,
son características que determinan la
capacidad de una especie de conducir la
corriente eléctrica, al tratarse de zonas
muy alejadas es esperable encontrar una
diferencia
como
la
que
se
puede
observar en la Figura 3.2.
Figura 3.2: Comparación de
electrolitos sólidos a 2.5% de Humedad.
De la Figura 3.3 y Figura 3.4 se puede
observar claramente la tendencia a
disminuir la distancia entre cada una de
las
rectas
con
el
incremento
de
humedad. Las pequeñas diferencias en
los valores de resistencia calculados se
pueden deber a las lecturas de potencial
al utilizar el electrodo de referencia.
Figura 3.3: Comparación de
En la siguiente figura se puede observar
la comparación de electrolitos líquidos:
electrolitos sólidos a 5% de Humedad.
Figura 3.4: Comparación de
electrolitos sólidos a 10% de Humedad.
Figura 3.5: Comparación de electrolitos
líquidos.
6
Universidad de Santiago de Chile
En la Figura 3.5 se presentan los valores
fuente (VF) con el Potencial a una
de resistencia en función de la distancia
distancia de 10 centímetros (Pot E1).
para
las
estudiadas.
dos
Para
muestras
cada
de
mar
muestra
se
realizan tres mediciones a diferentes
valores de corriente, los valores de
resistencia oscilan entre los
0,8 y 5
En la Figura 3.7 se muestra el grafico
que permite relacionar el Voltaje de la
fuente (VF) con el Potencial a una
distancia de 23 centímetros (Pot E3).
Ohm, se puede desprender que estos
valores
no
presentan
considerables
diferencias. Las pequeñas diferencias en
los valores de resistencia calculados se
pueden deber a las lecturas de potencial
al utilizar el electrodo de referencia.
3.3
A
Modelo matemático
continuación
se
presentan
los
resultados que permitieron obtener el
Figura 3.7: Voltaje de la fuente (VF) v/s
Potencial a 23 centímetros (Pot E3).
ajuste matemático que describe el valor
A continuación se presenta la ecuación
de resistividad en función de parámetros
que describe los valores de resistencia
iniciales de corriente y voltaje.
(R), en función del voltaje de fuente (VF),
corriente de celda (IC), y distancia (D):
0,01 ∗ + 0,023
∗ +
0,644 ∗ − 1,486
El promedio de los errores que se
obtuvieron según esta última ecuación
Figura 3.6: Voltaje de la fuente (VF) v/s
fue igual a 3,87%. De la totalidad de los
Potencial a 10 centímetros (Pot E1).
datos utilizados solo el 1,5%,(5 puntos),
En la Figura 3.6 se muestra el grafico
que permite relacionar el Voltaje de la
presentan un error mayor al 15%, siendo
el valor máximo de estos un 25,1%. Esto
permite afirmar que la ecuación de
7
Universidad de Santiago de Chile
resistencia describe correctamente los
3.4
Validez del modelo
valores obtenidos experimentalmente.
Los
valores
de
resistividad
de
las
Al tener la resistencia, la resistividad se
muestras
obtiene a partir de la siguiente expresión:
variables por lo que se hace imposible
=
solidas
pueden
ser
muy
poder comparar los resultados de las
∗
experiencias de laboratorio con valores
teóricos para estas muestras, en cambio
Donde:
las muestras de agua de mar poseen una
•
ρ: Resistividad (Ω cm).
variedad de valores mucho menor.
•
R: Resistencia (Ω).
Según
•
A: Área transversal (130 cm2).
resistividad del agua de mar en distintas
•
L: Distancia (También “D” en cm)
la
NACE
los
valores
de
zonas del mundo varían entre los 19 Ω
cm y los 33 Ω cm. En la Tabla 3.1 se
comparan estos valores teóricos de
Reemplazando valores:
1,3045 ∗ + 2,992
=
resistividad con los calculados a partir del
modelo de resistividad.
Tabla 3.1: Comparación valores de
83,72 ∗ − 193,18
+
∗ resistividad calculados y teóricos.
Según esta expresión para distancias
Agua de mar
ρ (Ω cm)
Calculada
ρ (Ω cm)
Teórica
de resistividad pero para valores muy
Viña del Mar
19
[19-33]
grandes
expresión
Viña del Mar
23
[19-33]
converge a un mismo valor. Por lo tanto
Viña del Mar
22
[19-33]
para valores muy grandes de distancia la
La Serena
22
[19-33]
resistividad queda determinada por:
La Serena
20
[19-33]
1,3045 ∗ + 2,992
La Serena
22
[19-33]
pequeñas, se obtienen distintos valores
de
=
distancia
la
En Tabla 3.1 se puede observar que
Esta última expresión corresponde al
todos
modelo de resistividad encontrado en
calculados mediante la ecuación están
función de parámetros de corriente y
todos dentro del rango [19-33] Ω cm.
los
valores
de
resistividad
voltaje de la fuente.
8
Universidad de Santiago de Chile
4.
CONCLUSIONES
4.1
Pruebas de Linealidad
Las muestras de agua de mar no
presentaron diferencias considerables en
los valores de resistencia.
Se comprobó que todas las muestras de
4.3
Ajuste de modelo matemático
terreno y de agua de mar reflejan un
comportamiento fuertemente lineal de la
El modelo que describe los valores de
resistencia en función de la distancia.
resistencia en función de la distancia,
voltaje de fuente y corriente de celda,
4.2
Comparación de electrolitos
presenta errores de baja consideración
de
respecto a cálculos experimentales, por
electrolitos sólidos se desprende que la
lo tanto se puede afirmar que el modelo
diferencia entre los valores de resistencia
encontrado es válido.
se debe principalmente a la naturaleza
4.4
Respecto
a
la
comparación
Validez del modelo
de cada una de las muestras. Para
explicar la razón de tal diferencia hubiese
Según resultados en que los valores de
sido
resistividad
necesario
realizar
un
análisis
calculados
mediante
el
concuerdan con valores
de
químico que permitiera determinar la
modelo
concentración de cloruros, concentración
bibliografía, es posible afirmar que el
de sulfatos o determinar pH, entre otras
modelo
características. Esto se escapa a los
valores de resistividad en función de los
objetivos
parámetros de corriente y voltaje de
planteados
en
esta
investigación.
describe
correctamente
los
celda. Por lo tanto se puede afirmar que
el modelo de resistividad encontrado es
La tendencia a disminuir la distancia
válido.
entre cada una de las rectas con el
incremento de la humedad se explica
debido a que al aumentar la cantidad de
agua destilada se logra disolver la
totalidad del contenido salino de cada
5.
Juang
REFERENCIAS
M.G.
“Corrosion
Fontana
Engineering”,
N.
D
Greene,
MacGraw-Hill.
Nueva York 1967.
una de las muestras facilitando de esta
forma el traspaso de corriente eléctrica a
través de la celda.
Cortes
María
Teresa,
Ortiz
Pablo,
“Corrosión”, Apuntes Científicos Uniandinos
No 4, Diciembre 2006.
9
Universidad de Santiago de Chile
Von Baeckman, W. Schwenk, and Prinz,
Texaco Inc. “Cathodic Protection Manual”.
Handbook of Cathodic Corrosion Protection –
1°Edicion, New York, 1965.
Theory
and
Practice
of
Electrochemical
Gonzalez, J.A. “Control de la corrosión:
Protection Processes, 1997.
Estudio
y
medida
por
técnicas
Robert Baboian, NACE Corrosion Engineers
electroquímicas”. C.S.I.C Grafipren, S.A.1°
Reference Book, NACE INTERNATIONAL, 3°
Edición, Madrid, 1989.
Edition, 2002.
Manners,
E.
“Cathodic
Protection
for
Nace International, Corrosion Control of
distribution systems: Corrosion prevention
Submerged Areas of Permanently Installed
and control”, Vol. 9, Enero, 1962.
Steel Offshore Structures NACE SP0176,
Vila, Gustavo, “Corrosión y control de
2007.
corrosión”.
Gerardo
Cifuentes,
Jaime
Simpson,
Cristian Vargas, Fundamentos de Corrosión
Publicaciones
Facultad
de
Universidad
Ingeniería.
Nacional
de
Colombia, Bogotá, 1990.
y Protección de Materiales. 1°Edición, 2006.
Gerardo Cifuentes, Teoría y Práctica de la
Electrometalurgia. 1° Edición, 2010.
CP-2
Cathodic
Protection
Technician
Course Manual, NACE International, 2006.
Nace
international,
Protection
Technologist
CP-3
Cathodic
Course
Manual,
2009.
L.Shreir, R.Jarman, G.Burstein, “Corrosion
Metal Environment Reactions”, 3ª Edición,
Butterworth Heineman, Oxford, 1994.
Kemal Nisancioglu, “Cathodic Protection”,
Rev.Material Performance, Diciembre 1984.
Roe Stommen, “Anode Resistance”. Rev.
Material Performance, Marzo 1985.
Texas
Petroleum
Company,
“Cathodic
Protection Design and application school”.
Houston, Octubre, 1985.
10