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FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN INGENIERIA DE PROCESOS DE MINERALES CORROSION DE ACERO AL CARBONO POR SOLUCIONES DE NaCl y LiBr Trabajo de Tesis presentado en conformidad a los requisitos para optar al grado de: Doctor en Ingeniería de Procesos de Minerales Profesor Guía: Dr. Luis Cáceres Villanueva ALVARO DAVID SOLIZ AYALA Antofagasta, Junio de 2015

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FACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA DE DOCTORADO EN

INGENIERIA DE PROCESOS DE MINERALES

CORROSION DE ACERO AL CARBONO

POR SOLUCIONES DE NaCl y LiBr

Trabajo de Tesis presentado en conformidad a los requisitos

para optar al grado de:

Doctor en Ingeniería de Procesos de Minerales

Profesor Guía:

Dr. Luis Cáceres Villanueva

ALVARO DAVID SOLIZ AYALA

Antofagasta, Junio de 2015

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RESUMEN

El objetivo principal de la presente investigación es examinar el comportamiento de la corrosión

del acero al carbono en una celda de flujo de geometría anular bajo la influencia de factores

hidrodinámicos y salinidad del electrolito. Esta celda es alimentada con un flujo fijo de

electrolito, donde el espécimen de acero es una sección cilíndrica del eje central que conforma

el espacio anular. El espécimen de estudio fue un acero al carbono tipo AISI 1020 y los

electrolitos seleccionados soluciones de cloruro de sodio y bromuro de litio. Los estudios se

realizaron utilizando la técnica de voltametría de barrido lineal junto a una caracterización de la

morfología y productos de corrosión, para obtener un mejor entendimiento de la complejidad de

la corrosión metálica. El estudio cinético de la corrosión fue complementado utilizando la técnica

de elementos finitos por resolución de las ecuaciones de Nernst-Planck y Navier-Stokes

acoplados a modelos cinéticos no-lineales de las reacciones electroquímicas sobre la superficie

del electrodo. Estas mediciones fueron repetidas en una celda clásica con electrodos de disco

rotatorio con fines de comparación.

Los resultados de las experiencias electroquímicas permitieron una caracterización detallada de

las tres reacciones electroquímicas parciales de la corrosión del acero al carbono para ambas

soluciones de estudio. Esta caracterización fue en base al modelo de superposición en el

contexto de la teoría del potencial mixto. De los resultados más relevantes se tiene una

significativa dependencia de la cinética de corrosión con la velocidad de flujo de solución y

concentración de sales disueltas. En particular para ambas soluciones salinas, la tasa de

corrosión mostró un incremento con la velocidad de flujo de solución, y una disminución con la

concentración de NaCl, a diferencia con las soluciones de LiBr donde un incremento de

concentración produjo un incremento en las tasas de corrosión. La dependencia de las

propiedades físicas y de transporte para la solubilidad del oxígeno disuelto con el contenido de

sales en solución explica la variabilidad de las tasas de corrosión. Estos cambios además

demostraron la influencia de la configuración geométrica sobre la corrosión metálica.

Se estima, que esta celda de flujo anular puede ser muy beneficiosa para efectuar diversas

mediciones electroquímicas en sólidos conductores o semiconductores inmersos en soluciones

de electrolitos que operan bajo condiciones de flujo de solución variables.

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Dedicado a toda mi hermosa familia

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Se agradece el apoyo financiero

A la beca MECESUP Fortalecimiento del Programa de Doctorado en Ingeniería de

Procesos de Minerales llevado por la Universidad de Antofagasta

A la beca CONICYT-BECAS CHILE por la beca de Pasantía Doctoral en el Extranjero

Un agradecimiento especial a mi tutor Dr. Luis Cáceres, por todo el apoyo y las

enseñanzas transmitidas. También quiero agradecer a mi supervisor en el instituto Max

Planck Institut für Eisenforschung, Dr. Karl J. J. Mayrhofer, quien es un gran líder de

grupo.

Finalmente, agradecer a todas las personas que estuvieron a mi lado y que colaboraron

en mayor o menor medida en la realización de esta tesis. A todos ellos muchas gracias.

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CONTENIDO

RESUMEN ................................................................................................................................... i

1. MOTIVACIÓN, OBJETIVOS Y ALCANCES ........................................................................ 1

2. INTRODUCCION ................................................................................................................. 3

2.1. Revisión de la literatura ............................................................................................. 3

2.2. Definición y tipos de corrosión.................................................................................. 6

2.3. Diagramas Potencial–pH (E-pH) ................................................................................ 7

2.4. Corrosión del acero al carbono ................................................................................. 8

2.5. Cinética electroquímica y Teoría del Potencial Mixto .............................................. 9

2.5.1. Cinética de la reacción anódica ........................................................................ 10

2.5.2. Cinética de la reacción catódica ....................................................................... 11

2.5.3. Estimación de parámetros a partir de curvas de polarización ....................... 13

3. PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................................. 17

3.1. Celda de flujo anular................................................................................................. 17

3.1.1. Diseño del electrodo de trabajo ........................................................................ 19

3.1.2. Procedimiento experimental ............................................................................. 19

3.2. Electrodo de disco rotatorio .................................................................................... 20

3.3. Soluciones de electrolitos........................................................................................ 21

3.4. Condiciones de estudio experimental ..................................................................... 21

4. RESULTADOS Y DISCUSION .......................................................................................... 23

4.1. Técnicas de voltametría de barrido de potencial.................................................... 23

4.2. Celda de flujo anular................................................................................................. 28

4.2.1. Corrosión del acero al carbono por soluciones de NaCl ................................ 28

4.2.1.1. Condiciones experimentales ..................................................................... 28

4.2.1.2. Experiencias bajo condiciones desaireadas ............................................ 29

4.2.1.3. Experiencias bajo condiciones aireadas .................................................. 31

4.2.1.4. Experiencias bajo condiciones estancadas de soluciones aireadas ...... 32

4.2.1.5. Experiencias bajo condiciones de flujo de soluciones aireadas ............ 33

4.2.1.6. Parámetros de corrosión ........................................................................... 39

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4.2.1.7. Análisis teórico del pH superficial ............................................................ 42

4.2.1.8. Análisis morfológico .................................................................................. 48

4.2.1.9. Resumen de los resultados ....................................................................... 52

4.2.2. Corrosión del acero al carbono por soluciones de LiBr ................................. 54

4.2.2.1. Condiciones experimentales ..................................................................... 54

4.2.2.2. Mediciones por voltametría de barrido lineal ........................................... 55

4.2.2.3. Parámetros electroquímicos ...................................................................... 57

4.2.2.4. Parámetros de corrosión ........................................................................... 62

4.2.2.5. Transferencia de masa de oxígeno ........................................................... 64

4.2.2.6. Análisis morfológico .................................................................................. 65

4.2.2.7. Resumen de los resultados ....................................................................... 67

4.3. Electrodo de disco rotatorio .................................................................................... 68

4.3.1. Condiciones experimentales ............................................................................ 68

4.3.2. Mediciones por voltametría de barrido lineal .................................................. 69

4.3.3. Influencia de la velocidad de rotación ............................................................. 70

4.3.4. Influencia de la concentración .......................................................................... 72

4.3.5. Dependencia de los parámetros cinéticos ....................................................... 74

4.3.6. Consideraciones para el mecanismo de reducción del oxígeno.................... 78

4.3.7. Influencia de la concentración de sales y velocidad de rotación sobre los parámetros de corrosión ................................................................................................. 81

4.3.8. Análisis morfológico ......................................................................................... 82

4.3.9. Resumen de resultados .................................................................................... 84

4.4. Simulación numérica por elementos finitos ........................................................... 85

4.4.1. Diseño del modelo geométrico ......................................................................... 85

4.4.2. Ecuación principales ......................................................................................... 86

4.4.3. Condiciones de borde ....................................................................................... 88

4.4.4. Perfiles de la velocidad de fluido ..................................................................... 90

4.4.5. Esfuerzo de corte............................................................................................... 91

4.4.6. Variación de oxígeno disuelto .......................................................................... 92

4.4.7. Cambios en el pH superficial ............................................................................ 94

4.4.8. Resumen de resultados .................................................................................... 97

5. DISCUSION GLOBAL ....................................................................................................... 98

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5.1. Generalidades ........................................................................................................... 98

6. CONCLUSIONES ............................................................................................................ 103

7. RECOMENDACIONES .................................................................................................... 107

Referencias ........................................................................................................................... 109

ANEXOS ................................................................................................................................ 119

Anexo 1 .............................................................................................................................. 119

Anexo 2 .............................................................................................................................. 120

Anexo 3 .............................................................................................................................. 124

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Glosario

Abreviaciones

, Electrodo estándar de hidrógeno , Reacción de reducción de oxígeno , Reacción de evolución de hidrógeno , American Iron and Steel Institute , Década � , Revoluciones por minuto, (rev/min) , Atomic units (Unidades atómicas)

Nomenclatura

, Parámetro de ajuste , Pendientes de Tafel para el Fe, O2 y H2 , Factor adimensional geométrico en dirección radial, � − � − � ⁄

, Concentración de la especie en el seno de la solución

, , Concentración inicial de la especie en el seno de la solución, previo a los ensayos

electroquímicos , Concentración de la especie sobre la superficie del electrodo , Diámetro equivalente, � − � , Coeficiente de difusión de la especie , Potencial aplicado al electrodo de trabajo , Potencial estándar de electrodo

, , Potencial de equilibrio determinado desde la ecuación de Nernst , Potencial de corrosión , Constante de Faraday, 96485 (A s/mol) �, Constante de la gravedad, 9.81 m/s2 ∆ , Entalpía de solución

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, Densidad de corriente parcial para el Fe, O2 y H2 , , Densidad de corriente de intercambio para el Fe, O2 y H2 , Densidad de corriente total , Densidad de corriente total experimental , Densidad de corriente total anódica , Densidad de corriente total catódica , Densidad de corriente total modelada , Densidad de corriente de corrosión , , Densidad de corriente límite para la reacción de reducción de oxígeno , Densidad de flujo molar para las especies en solución , Relación de radios interno y externo de la celda de flujo anular , Factor adimensional de velocidad, �/ , Producto iónico para la disolución del agua , Longitud del electrodo , Longitud de la celda de flujo anular , Orden de la reacción del oxígeno , Número de electrones intercambiados; Número de datos experimentales , Vector presión; Parámetro de ajuste , Potencial de hidrógeno en la superficie del electrodo , Potencial de hidrógeno en solución , Presión parcial para el O2 y H2 �, Coordenada radial; Número de parámetros de ajuste � , Radio del electrodo de disco rotatorio � , Radio externo de la celda de flujo anular � , Radio interno de la celda de flujo anular , Raíz cuadrática del error medio , Constante de los gases ideales, 8.314 (J/(mol K)) , Término de producción o consumo de la especie por reacción química , Número de Reynolds, Sección anular = / ; Electrodo rotatorio = � / , Número de Schmidt = �/ � ℎ, Número de Sherwood

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, Temperatura absoluta , Vector velocidad , Velocidad de flujo de solución media � , Velocidad de flujo de solución en dirección axial de coordenadas cartesianas , , Movilidad iónica de la especie en solución , Velocidad máxima observada en los perfiles de flujo , Potencial de la solución , Velocidad angular , Parámetro de ajuste; Coordenada cartesiana , Coordenada cartesiana , Coordenada cartesiana , Carga iónica de la especie en solución

� , Coeficiente de transferencia para el Fe, O2 y H2 �, densidad de la solución agresiva �, viscosidad de la solución agresiva , Velocidad de barrido de potencial; Viscosidad cinemática de la solución ∇, Operador diferencial nabla ∆, Operador matemático delta � , Espesor de la película de difusión de Nernst de la especie en solución � , Espesor efectivo de la película de difusión de Nernst ∑ , Operador matemático sumatorio

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1. MOTIVACIÓN, OBJETIVOS Y ALCANCES

Durante los últimos años se ha observado un renovado interés en proveer un mejor

entendimiento sobre la corrosión del acero al carbono en soluciones salinas debido a la

necesidad de extender la tecnología actual de monitoreo y control de la corrosión en

aplicaciones como el transporte de fluidos, reactores químicos, materiales de construcción,

intercambiadores de calor, industria petrolera, entre otras aplicaciones.

Generalmente dentro los estudios enfocados al uso de acero al carbono, las investigaciones

referentes a la cinética de corrosión son realizadas considerando limitaciones y suposiciones

que no siempre son aplicables a condiciones reales de proceso; algunos ejemplos de estas

suposiciones son el uso de mecanismos simples de corrosión como transferencia de carga o

difusión del agente oxidante y homogeneidad del proceso en toda la superficie, y el uso de

superficies de estudio con reducida área superficial. Estas restricciones principalmente son

reflejadas en los métodos de medición de la tasa de corrosión, tales como en la técnica de

cupones testigo, donde se asume que la corrosión es homogénea e independiente del régimen

de flujo, además de requerir prolongados períodos de exposición de los especímenes, por lo

que es necesario la utilización de métodos estadísticos que requieren un gran número de

muestras para así obtener un promedio de la tasa de corrosión, o técnicas electroquímicas que

soportan pequeñas áreas superficiales del espécimen, donde mediciones electroquímicas son

realizadas sin agitación o condiciones hidrodinámicas ideales que raramente ocurren en

procesos reales. Bajo estas condiciones es muy difícil evaluar o estimar efectos de corrosión

debido a interacciones entre la geometría del área de contacto entre metal-electrolito,

turbulencia del flujo, transferencia de masa, formación y ruptura de la película pasiva, y

actividad de los iones agresivos. En este sentido, el objetivo principal del presente trabajo es

presentar una celda electroquímica de flujo anular para estudiar fenómenos de corrosión del

acero al carbono relacionados principalmente con la cinética de corrosión de superficies

geométricas extendidas expuestas bajo un flujo continuo de solución agresiva. Para este

propósito los siguientes objetivos específicos son considerados:

Establecer condiciones experimentales en orden a estudiar la influencia de las

condiciones hidrodinámicas y la concentración de NaCl y LiBr sobre la corrosión del

acero al carbono.

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Proponer un modelo cinético que permita explicar la cinética de corrosión del acero al

carbono en soluciones de elevada salinidad.

Caracterizar la corrosión a través del análisis morfológico del espécimen metálico y de

los productos de corrosión.

Comparar parámetros de corrosión para el acero al carbono obtenidos desde la cela

electroquímica de flujo anular, utilizando una celda electroquímica convencional con

electrodo de disco rotatorio.

Implementar un modelo de corrosión a través de la aplicación de elementos finitos para

la celda de flujo anular, el cual permita caracterizar factores hidrodinámicos y describir

los perfiles de concentración de las principales especies involucradas en la corrosión

metálica.

En el presente trabajo, el término de superficies extendidas corresponde a superficies de

estudio que posean un área superficial mayor al área superficial que poseen los especímenes

utilizados en celdas electroquímicas con electrodo de disco rotatorio.

El diseño de la celda electroquímica de flujo anular se enfoca a proveer un sistema de tres

electrodos el cual permita sobrellevar restricciones observadas en celdas electroquímicas de

dos electrodos utilizadas en estudios de superficies extendidas (ver sección Parte

Experimental). Esta celda electroquímica combina el uso de técnicas electroquímicas

modernas, junto con la medición en línea de otras variables como por ejemplo consumo de

oxígeno disuelto o el pH en el seno de la solución. Las características operacionales de esta

celda permiten además de la adquisición de un conjunto integral de datos, examinar una gran

variedad de condiciones experimentales para simular situaciones de corrosión de interés

industrial. La caracterización comprensiva del estudio de la cinética de corrosión se orienta

hacia la necesidad de contribuir al estado del arte en el estudio cinético de la corrosión

mediante la predicción de parámetros cinéticos y de corrosión para el acero al carbono inmerso

en soluciones individuales con elevada salinidad de LiBr y NaCl. Esto será analizado bajo

condiciones de flujo axial controlado, para lo cual existe información muy limitada. Debido a la

complejidad del estudio, el presente trabajo se restringe solo a mediciones electroquímicas del

proceso de corrosión utilizando la técnica de voltametría de barrido lineal. Mediciones

complementarias en línea de otros parámetros son objeto de investigaciones en curso.

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2. INTRODUCCION

2.1. Revisión de la literatura

Normalmente los estudios referentes a la corrosión metálica dejan de lado análisis integrados

que involucren el efecto de la interacción de especies iónicas presentes en la solución sobre los

modelos cinéticos y los efectos del flujo de fluidos sobre su tasa de degradación. Estos estudios

son llevados por mediciones de tasas de corrosión a partir de técnicas que no permiten realizar

mediciones instantáneas de corrosión además de requerir tiempos prolongados de exposición

tales como los cupones testigo, o técnicas de estimación gráfica a través de la extrapolación

visual de datos tales como las pendientes de Tafel. En ambas situaciones, factores

hidrodinámicos son ignorados en el análisis cinético para describir el efecto de la difusión de

especies activas hacia la superficie metálica. Por otra parte, es de importancia considerar

variaciones de parámetros físicos como la densidad, viscosidad, pH de la solución, solubilidad,

difusividad, dentro un análisis integrado, los cuales ayudarán al mejor entendimiento del

fenómeno de corrosión.

Estudios realizados por Miyata y coautores [37] referentes al estudio cinético de la RRO sobre

superficies planas circulares de hierro metálico inmerso en soluciones neutras de NaCl sin

amortiguador buffer, muestran que esta reacción de reducción es independiente de la

concentración de iones Cl- y el pH. El análisis cinético de esta reacción considera el término de

la actividad de oxígeno dentro la ecuación cinética, para el cual un orden de reacción igual a 0.5

fue determinado. Así mismo, el análisis considera al oxígeno como un gas ideal el cual se

encuentra en equilibrio entre la fase gas y líquida entre un rango de presión de 0-1 atm. En este

trabajo los efectos de la salinidad y pH no son considerados.

Estudios realizados por Xu y coautores [125] relacionados a la formación y conversión de los

óxidos sobre una superficie de acero al carbono inmerso en soluciones básicas y levemente

básicas revelan que los cambios en los óxidos (formación/conversión) para condiciones de pH

10.6 es diferente que para pH≥13, los cuales dependen de la región de potencial donde se

encuentren. Basados en sus resultados los resultados los autores confirman la importancia de

cambios en las condiciones termodinámicas sobre la determinación de la tasa de corrosión.

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Le Bozec y coautores [76] realizaron estudios referentes a la influencia del tratamiento de la

superficie de acero inoxidable sobre la RRO en muestras de agua de mar natural, revelan que

su mecanismo de reducción es altamente influenciada. En el caso de una superficie metálica

pre-reducida los resultados revelan un mecanismo de reducción de oxígeno vía intercambio de

cuatro electrones. Por otra parte, el mecanismo de reacción de reducción de oxígeno sobre una

superficie metálica pulida, muestra que ambos mecanismos, vía cuatro y dos electrones, están

presentes, con una ligera formación entre un 10-20% de peróxido de hidrógeno. En superficies

pasivas, la RRO así como la reducción de óxidos férricos pueden ocurrir simultáneamente.

Yazdanfar y coautores [31] estudiaron la corrosión para el acero al carbono y el efecto de iones

haluros sobre su degradación. En sus estudios mostró que los iones Br-, Cl-, I-, no presentan

una dependencia sistemática respecto al tipo de haluro y su concentración sobre el rompimiento

de la película pasiva formada sobre la superficie del metal. Su estudio sugiere que es el campo

eléctrico quien causa una acelerada conversión de los óxidos Fe3O4/Fe2O3 a ɣ-FeOOH el cual

es termodinámicamente posible a potenciales mayores a 0.0 V/SCE a pH de 10.6, que conduce

a un cambio en el volumen creando una tensión en la película de óxido, causando finalmente el

rompimiento de la película pasiva.

La influencia de la región de entrada sobre la transferencia de masa dentro de una celda de

flujo anular fue estudiada por Sa y coautores [102]. Ellos estudiaron las tasas de transferencia

de masa para el sistema ferri-ferrocianuro utilizado la técnica de la densidad de corriente límite.

Los resultados de coeficientes de transferencia de masa para regímenes de flujo laminar y

turbulento, expresados en términos del número de Sherwood, fueron relacionadas con números

adimensionales hidrodinámicos tales como el número de Reynolds (Re) y el número de Schmidt

(Sc) así como la posición axial del espécimen dentro la celda anular. Similares estudios sobre la

velocidad de transferencia de masa en la interface sólido-líquido utilizando una celda de flujo

anular fueron realizados por Mobarak y coautores [17], quienes relacionaron efectos de la

posición del electrodo de trabajo y la rugosidad del espécimen sobre la velocidad de

transferencia de masa a través del número de Sherwood para flujos de solución dentro un

régimen laminar y turbulento. En ambos estudios las celdas electroquímicas utilizadas son

basadas en un sistema de dos electrodos, un cátodo y un ánodo.

Montañes y coautores [8] estudiaron la influencia de las condiciones hidrodinámicas sobre la

corrosión del par galvánico cobre/acero inoxidable AISI 304 utilizando un circuito hidráulico con

electrodos de trabajo tipo anillos. Curvas de polarización lineal fueron obtenidas a diferentes

números de Reynolds con el objetivo de determinar tasas de corrosión utilizando la técnica de

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extrapolación de Tafel. Estudios por Al-Kharafi [14] sobre la corrosión del acero al carbono por

soluciones desaireadas de bicarbonato, fueron realizados utilizando superficies circulares (0.2

cm2) como electrodo de trabajo, donde las mediciones de las tasas de corrosión fueron

realizadas a partir de una extrapolación gráfica desde gráficos de Tafel. En ambos estudios, los

diagramas de Tafel no revelaron una relación muy buena linealidad de las mesetas anódicas y

catódicas.

Es conocido que un sistema electroquímico compuesto por tres electrodos, involucra el uso de

un electrodo de referencia independiente. En este sentido, Offer y coautores [16] presentan un

análisis detallado sobre el uso de celdas electroquímicas compuestas por un sistema de tres

electrodos, donde los electrodos de trabajo revelan diversas configuraciones geométricas. Ellos

realizan mediciones por espectroscopia de impedancia electroquímica sobre materiales para

celdas de energía, con el objetivo de compensar el error durante las mediciones de curvas de

polarización.

Cáceres y coautores [48], determinó parámetros electroquímicos y tasas de corrosión para

electrodos de disco rotatorio fabricados en acero al carbono utilizando un modelo de

superposición. Este modelo implementado en un programa computacional presentó buena

descripción de la disolución de hierro y reducción de oxígeno, las cuales se describieron en

términos de un control por transferencia de carga para el hierro, y un control por transferencia

de carga y masa para el oxígeno. Ese trabajo también revela una disminución en la densidad de

corriente límite como influencia de la concentración de NaCl y un incremento en la tasa de

disolución de hierro por influencia de NaCl sobre la formación de picaduras.

Flitt y coautores [35], estudiaron la descripción de curvas de polarización experimental desde la

síntesis de curvas de polarización parciales para las diferentes reacciones que intervienen

durante el proceso de corrosión, utilizando relaciones matemáticas apropiadas así como datos

de parámetros cinéticos y termodinámicos. Un programa computacional no comercial

(SYMADEC) fue utilizado en la descripción e interpretación del sistema de corrosión

Fe/H2O/H+/O2.

Lo estudios realizados por Katsounaros y coautores [88] a través de un balance de materia para

los protones hidrógeno utilizando un modelo de difusión, determinaron valores de pH locales

sobre la interface sólido-líquido sin la introducción de ningún dispositivo de medición. Ellos

demostraron para soluciones sin amortiguador, que el pH medido en el seno de la solución

puede ser muy diferente al pH observado sobre la superficie del metal.

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2.2. Definición y tipos de corrosión

En términos generales, la corrosión puede definirse como el ataque destructivo de un metal por

la interacción con su medioambiente [1, 2]. Este fenómeno de corrosión se manifiesta a través

de diversas formas dependiendo del metal y medio agresivo, representando en general una

gran problemática en toda industria involucrada con este fenómeno [1, 3, 4]. Como una de sus

principales consecuencias son las pérdidas económicas generadas debido a la destrucción y/o

reemplazo de piezas metálicas, problemas ambientales, interrupción de procesos industriales,

entre otras. Es por tal motivo que el entendimiento de este fenómeno y el desarrollo de

mediciones preventivas para su mitigación y/o reducción viene a ser de gran importancia [5-8].

La naturaleza electroquímica de este fenómeno de corrosión siempre denota la presencia de un

cátodo, un ánodo y un electrolito el cual se comporta como un medio conductor eléctrico [1, 9,

10]. Las regiones anódicas actúan como una fuente de electrones y las regiones catódicas

actúan como un sumidero de electrones, las cuales por el principio de electro-neutralidad de la

materia, ambas reacciones anódicas y catódicas compensan su carga simultáneamente de

manera que en todo instante la carga neta del sistema es cero.

Diferentes formas de corrosión pueden llevarse a cabo bajo distintas condiciones de estudio,

tales como el tipo de metal, exposición al medio agresivo, condiciones atmosféricas,

temperatura, entre otras. Los mecanismos de corrosión más comunes son [11]:

Corrosión Atmosférica. Es un tipo de corrosión donde la superficie expuesta al medio

agresivo es convertida a óxido. Las principales variables involucradas son las

condiciones atmosféricas asociadas al medio en que se encuentra, como ser la

temperatura, humedad relativa, gases tóxicos presentes (SO2), lluvia, entre otras.

Corrosión Galvánica. Este tipo de corrosión se debe a la diferencia de potencial entre

dos metales distintos y/o superficies conductoras, que se encuentran en contacto

eléctrico a través de un circuito por el cual existe un flujo de electrones entre el material

menos noble y el más noble.

Corrosión Intergranular. Se localiza en sectores de una superficie metálica donde existe

alguna discontinuidad de fases o estructuras, generándose pequeñas grietas por donde

la corrosión se propaga a lo largo de la discontinuidad o hacia el interior del material.

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Este daño es muy peligroso debido a que las grietas generadas comprometen la

resistencia mecánica del metal.

Corrosión por Picadura. Es una forma de corrosión extremadamente localizada y se

manifiesta por la presencia de cavidades sobre la superficie metálica. Esta corrosión

está asociada a la ruptura de la película protectora sobre el metal (película pasiva de

óxido o una capa orgánica), causada por la presencia de agentes muy agresivos,

fundamentalmente halogenuros (Cl-, F-, Br-, I-).

2.3. Diagramas Potencial–pH (E-pH)

Estos diagramas conocidos como los diagramas de Pourbaix, debido a su creador Marcel

Pourbaix [12], muestran gráficamente la estabilidad de un metal y sus diferentes productos de

oxidación-reducción como función del potencial y el pH. Una enorme cantidad de datos pueden

ser presentados de forma simple y concisa en estos diagramas. Su aplicabilidad permite

predecir zonas de corrosión, inmunidad, y pasivación de un metal definido; sin embargo éstos

diagramas no indican la velocidad a la cual ocurrirán estos fenómenos [12]. Dentro el fenómeno

de corrosión, los usos más generales de los diagramas de Pourbaix corresponden a la

predicción de la espontaneidad de reacciones redox, la estimación de la estabilidad

termodinámica de las fases y composición de los productos de oxidación-reducción, la

predicción de cambios medioambientales que podrían prevenir o reducir la corrosión [1, 3, 12].

La Figura 2.1 muestra el diagrama de Pourbaix para el sistema Fe-H2O. En esta figura se

pueden distinguir las siguientes zonas de estabilidad: Zona de Inmunidad, donde el hierro

metálico no se corroe por ningún motivo; Zona de Corrosión, esta zona corresponde a la

formación de productos iónicos debido a la corrosión, como ser Fe+2, Fe+3, HFeO2-; Zona de

Pasividad, donde se forma una película protectora de Fe(OH)3 sobre la superficie del hierro

metálico, la cual reduce la difusión de agentes agresivos hacia la superficie metálica [12]. Las

líneas horizontales de estos diagramas describen reacciones que involucran transferencia de

electrones (líneas 1, 2), las líneas verticales representan una gran facilidad para formar

hidróxidos (línea 3), y las líneas con pendiente representan el equilibrio donde se encuentran

involucrados tanto la transferencia de electrones como el pH (línea 5).

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Figura 2.1. Diagrama de Pourbaix para el sistema Fe–H2O, T=25°C (Construcción propia)

2.4. Corrosión del acero al carbono

Típicamente los estudios de corrosión han considerado diversas condiciones corrosivas sobre

todo en superficies planas tales como cupones rectangulares, superficies planas circulares, y

geometría Riso [13-16]. En general el flujo de fluido a través de una geometría anular

concéntrica ocurre en una gran variedad de aplicaciones ingenieriles tales como

intercambiadores de calor [17, 18], sensores y reactores electroquímicos [19, 20], y demás

aplicaciones prácticas donde el flujo de fluido se combina con procesos de transferencia de

materia [21-23]. En todos los casos, el movimiento del fluido y la transferencia de masa juegan

un rol muy importante en la velocidad de degradación metálica [21, 24, 25], y en particular se

observaron graves problemas de corrosión cuando los materiales metálicos están expuestos a

soluciones electrolíticas de elevada salinidad [14]. Bajo estas condiciones, las propiedades

físicas del electrolito, la concentración de sales, y las condiciones hidrodinámicas de estudio,

son factores decisivos que afectan en forma sinérgica la dinámica del proceso de corrosión [26].

Adicionalmente, la variabilidad en la actividad de los protones H+ e iones hidroxilo OH- causado

por la ausencia de un amortiguador de pH en solución, puede afectar notablemente el proceso

de corrosión debido a cambios en el potencial de equilibrio electroquímico de las diferentes

reacciones parciales [9, 27, 28].

Específicamente, para la corrosión del acero al carbono por soluciones de NaCl, Han y

coautores [26] revelaron una disminución en la tasa de corrosión cuando la concentración de

cloruros es mayor al 20% en peso, lo cual es atribuido a la formación de Fe3O4, el cual retarda

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9

la difusión de especies iónicas desde o hacia la superficie del metal. Por otra parte, Al-Kharafi

[14] mostró que la presencia de iones cloruro a concentraciones menores que 0.5 mol/L NaCl

promueve un fuerte deterioro de la película de pasiva compuestas por FeOOH y Fe2O3, que se

manifiesta a través de la formación de una gran cantidad de picaduras. Otros estudios

realizados por Miyata y coautores [37], los cuales se enfocan a la reacción de reducción de

oxígeno (RRO) sobre superficies de acero al carbono, muestran un orden cinético igual a 0.5

respecto a la concentración de oxígeno disuelto. En cambio, estudios realizados por Cáceres y

coautores [48] demostraron que la cinética de reducción del oxígeno disuelto sobre superficies

de acero al carbono AISI 1020 sigue una cinética de primer orden con respecto a la

concentración de oxígeno disuelto.

Por otra parte, el interés en las soluciones de LiBr se debe a que estas son ampliamente

utilizadas como absorbente debido a sus favorables propiedades termo-físicas, tales como su

elevada entalpía de solución � = -49 kJ/mol, en comparación a las entalpía de solución para

NaCl y LiCl de � = 4 kJ/mol y � = -37 kJ/mol respectivamente [122-124]. Tecnologías de

refrigeración son las principales aplicaciones que toman ventajas de estas propiedades

térmicas. Similar al efecto de los iones cloruro sobre la corrosión del acero al carbono, la

presencia de iones bromuro en soluciones acuosas pueden causar graves problemas de

corrosión sobre diversas estructuras y componentes industriales fabricados con este material

[29]. Estudios previos sobre el comportamiento de la corrosión del acero en soluciones

halogenadas, cubren aspectos generales relacionados con la disolución anódica, la transición

de una región activa a pasiva, mediciones del potencial de picadura, oscilaciones de la corriente

durante la formación de picaduras y la cinética de formación de la película pasiva y su

rompimiento [29-31]. Conclusiones contradictorias han sido reportadas para un potencial de

picado y ruptura de la película pasiva; mientras un reporte indica que no hay diferencia en el

potencial de rompimiento de la película pasiva en presencia de diferentes haluros, otros

reportes concluyen una variación significativa en los potenciales de picado para diferentes

haluros [29, 31, 32].

2.5. Cinética electroquímica y Teoría del Potencial Mixto

Durante la corrosión del acero en soluciones acuosas, las principales reacciones parciales

involucradas son la reducción de oxígeno, evolución de hidrógeno y oxidación de hierro. Para

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10

cada una de estas reacciones, se han propuesto diversos mecanismos de reacción los cuales

dependen fundamentalmente de las condiciones de estudio, tales como soluciones ácidas,

neutras o básicas, así como la ausencia o presencia de oxígeno disuelto [5, 33-37].

2.5.1. Cinética de la reacción anódica

Debido a su gran importancia industrial, las reacciones de transferencia de carga y liberación de

iones ferrosos desde la superficie del acero al carbono hacia el seno de la solución, han sido

ampliamente estudiadas bajo diversas condiciones [5, 6, 38-42]. Diversos estudios revelaron la

dependencia de la cinética de disolución de hierro con el pH de solución, por lo que se han

propuesto diversos mecanismos de reacción para su descripción. Un mecanismo ampliamente

aceptado para soluciones de pH aproximadamente neutros y ligeramente alcalinos es el

propuesto por Bockris [43], acorde a las siguientes reacciones:

+ − ↔ + − (2-1) → + + − (2-2) + ↔ + + − (2-3)

En este mecanismo, se considera que el compuesto FeOH es generado como una primera

etapa de la interacción entre los átomos de hierro y los iones hidroxilos adsorbidos sobre la

superficie metálica, para finalmente ser descompuesto en sus iones elementales durante la

última etapa de su mecanismo de reacción, quedando:

↔ + + − (2-4)

El modelo matemático propuesto para describir la dependencia de la densidad de corriente con

el potencial aplicado para la reacción (2-4), está basado en términos de la ecuación de Butler-

Volmer acorde a la expresión [1, 9]:

= . [ . � − ,�� − − . −� − ,�� ] (2-5)

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11

Para simplificar la expresion cinética, se despecia la reaccion electroquímica inversa en la

reacción (2-4), quedando finalmente las siguientes expresiones:

→ + + − (2-6)

Fe

Feeq

FeFeb

EEii

)(303.2exp

,

,0 (2-7)

Esta simplificacion es válida siempre y cuando los valores de potenciales de corrosion estén

muy alejados del potencial de equilibrio [44, 45].

Para la reacción (2-6), el potencial de equilibrio a 22°C puede determinarse a partir de la

ecuación de Nernst, acorde a:

, = + . 8 log + (2-8)

Una concentración de iones ferrosos igual a 1x10-6 mol/L fue considerado para el cálculo de los

potenciales de equilibrio, tal como sugiere Bockris [46].

2.5.2. Cinética de la reacción catódica

Dependiendo de las condiciones de estudio tales como pH y la presencia de oxígeno disuelto

en solución, diferentes reacciones catódicas pueden ser observadas para contrabalancear la

reacción anódica de oxidación. Por ejemplo, para soluciones de elevada acidez y en ausencia

de oxígeno disuelto la reacción principal involucra el desprendimiento de hidrógeno molecular,

acorde a la reacción:

+ + − → (2-9)

Para soluciones de pH neutro y alcalino, y en ausencia de oxígeno disuelto en solución, la

reacción catódica ocurre principalmente desde la reducción de moléculas de agua, acorde a:

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12

+ − → + − (2-10)

Por otra parte, bajo condiciones de pH ácido y en presencia de oxígeno disuelto, ambas

sustancias, el oxígeno disuelto y los protones hidrógeno, son reducidos para formar moléculas

de agua:

+ + + − → (2-11)

En contraste con un medio de pH ácido, la reacción catódica para soluciones neutras y alcalinas

con oxígeno disuelto en solución, puede ser descrita por:

+ + − → − (2-12)

Estos iones hidroxilos, generados durante las reacciones catódicas, son combinados con iones

ferrosos, generadas desde las reacciones anódicas, para formar una diversidad de óxidos-

hidróxidos de hierro, tales como magnetita Fe3O4 o hematita Fe2O3 [31].

Tomando en cuenta las mismas consideraciones realizadas para la reacción de oxidación de

hierro, donde solo se considera la reacción directa para el análisis cinético, y bajo el mismo

concepto del modelo propuesto de Butler-Volmer, la expresión cinética para la reacción de

evolución de hidrógeno (REH) acorde a la reacción (2-10), puede ser expresada por [5, 36, 47]:

2

2

22

)(303.2exp

,

,0

H

Heq

HHb

EEii (2-13)

El potencial de equilibrio para la REH a una temperatura de 22 °C puede ser calculada por:

,� = � − . 8 − � � (2-14)

Para soluciones de pH aproximadamente neutro y en presencia de oxígeno disuelto, el proceso

global para la RRO (reacción (2-12)) muestra un mecanismo cinético de dos etapas: la etapa de

difusión de moléculas de oxígeno desde el seno de la solución hacia la superficie metálica, y la

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13

etapa de reacción de reducción con transferencia de electrones. Considerando ambas etapas,

la ecuación extendida de Butler-Volmer puede ser expresada por [5, 36, 37]:

= , ( �� ) exp [ . − ,� � ] (2-15)

La concentración de oxígeno sobre la superficie del electrodo puede determinarse basándose

en un modelo de difusión lineal acorde a la ley de Fick:

= � � − �� (2-16)

Bajo condiciones estacionarias, para el cual la densidad de corriente alcanza un valor máximo

de difusión y la concentración de oxígeno sobre la superficie metálica es nula, la relación de

concentraciones en la expresión (2-15) puede ser reemplazada por [37]:

�� = − �,� (2-17)

Finalmente, combinando las ecuaciones (2-15) y (2-17) la expresión cinética para la RRO puede

ser calculada a partir de un mecanismo de control mixto acorde [48, 36, 37]:

= , exp [ . − ,� � ] ( − �,� ) (2-18)

De forma similar a las reacciones de oxidación de hierro y evolución de hidrógeno, el potencial

de equilibrio para la RRO a 22 °C es determinada según la siguiente ecuación:

, = − . 8 pH − log (2-19)

2.5.3. Estimación de parámetros a partir de curvas de polarización

Típicamente, la determinación de parámetros cinéticos y de corrosión tales como pendientes de

Tafel, corrientes de intercambio, corrientes y potenciales de corrosión, se realizan utilizando el

Page 24: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

14

método de las pendientes de Tafel obtenidas desde una extrapolación gráfica del logaritmo de

la densidad de corriente versus el potencial del electrodo, donde se espera una relación lineal

entre los dominios anódicos y catódicos tal como muestra la Figura 2.2. A partir de esta

representación gráfica, líneas rectas son extendidas desde ambos dominios y su intersección

define el potencial y densidad de corriente de corrosión [9, 10, 24, 49].

Figura 2.2. Gráfico de Tafel mostrando los dominios anódicos y catódicos

Como parte de los requerimientos de esta metodología, es necesario que ambos dominios

presenten un mecanismo de control por transferencia de carga, además de poseer una muy

bien definida región de Tafel. Si las curvas de polarización no muestran una suficiente

linealidad, la lectura de datos promovería la determinación de parámetros electroquímicos

erróneos. Diversos estudios claramente muestran el uso de esta metodología en la estimación

de parámetros electroquímicos sobre resultados experimentales que no exhiben la esperada

linealidad en formas de las mesetas anódicas y catódicas para un amplio rango de potenciales

[8, 14, 35, 42, 49].

Como alternativa a la aplicación del método de extrapolación de Tafel, las curvas de

polarización pueden ser analizadas desde un ajuste numérico utilizando el modelo de

superposición propuesto por Wagner y Traud [34] dentro el contexto de la teoría del potencial

mixto. Esta metodología numérica puede ser extendida a reacciones controladas por un

mecanismo cinético mixto de transferencia de masa y carga, permitiendo un análisis más

completo de las curvas de polarización y las reacciones electroquímicas parciales.

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15

Acorde a la teoría del potencial mixto [34], la densidad de corriente total medida

experimentalmente puede ser representada por la contribución aditiva de las reacciones

parciales anódicas y catódicas que ocurren sobre el electrodo de trabajo durante el proceso de

corrosión. Para el caso de la corrosión del acero al carbono a un pH de solución

aproximadamente neutro, la reacción anódica de oxidación de hierro es contrabalanceada por la

RRO y REH (también conocida como reacción de reducción de agua) [28, 36, 37, 50, 51]. En

este contexto, la densidad de corriente total puede ser expresada por:

OHOFe iiii22

(2-20)

Tal como se mencionó en la sección 2.5, las expresiones cinéticas para las reacciones de

oxidación de hierro y la REH corresponden a un mecanismo de transferencia de carga puro,

mientras que la expresión para la RRO corresponde a una cinética de control mixto de

transferencia de masa y carga. En base a estos lineamientos, los parámetros cinéticos fueron

determinados por una regresión no-lineal entre valores de densidad de corriente obtenidos

experimentalmente y la expresión propuesta a partir de la ecuación (2-20) [48]. Una

metodología desarrollada por Cáceres y coautores [48], basada en la minimización de residuos,

fue programada en el software MATLAB. Como criterio de ajuste estadístico para la evaluación

de la calidad del ajuste de datos, se utilizó la raíz cuadrada del error cuadrático medio (RMS)

acorde a la siguiente expresión:

= √∑ � − �= − (2-21)

Los potenciales de corrosión fueron determinados a partir de la ecuación (2-20) para una

condición de corriente total nula = / ), y las densidades de corriente de corrosión

se determinaron a partir de curvas de polarización experimentales correspondientes al potencial

de corrosión donde, acorde a la teoría del potencial mixto, la densidad de corriente anódica es

igual a la densidad de corriente catódica ∑ = ∑ = .

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16

Una metodología similar fue utilizada en el estudio de la corrosión metálica en soluciones con

ausencia de oxígeno disuelto, donde la ecuación (2-20) solo consideraría el término de

densidad de corriente para la REH.

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17

3. PARTE EXPERIMENTAL

3.1. Celda de flujo anular

En el presente trabajo se examina la cinética de corrosión de acero al carbono haciendo uso de

una celda de flujo electroquímica diseñada y construida en laboratorios del Departamento de

Ingeniería Química y Procesos de Minerales de la Universidad de Antofagasta. Esta celda

electroquímica permite hacer mediciones electroquímicas sobre superficies metálicas

extendidas y de geometría variable, las cuales van inmersas en un flujo continuo de solución

agresiva y con la alternativa de homogeneidad hidrodinámica y de campo eléctrico sobre la

superficie del espécimen. Un esquema general del sistema electroquímico es mostrado en la

Figura 3.1. En esta figura, el espécimen metálico va expuesto a un flujo axial continuo de

solución agresiva el cual circula en circuito cerrado a través de un reactor tubular que lo

contiene. El sistema básicamente se compone por una bomba de impulsión, un tanque de

almacenamiento de la solución agresiva, un medidor de flujo volumétrico, y un reactor tubular.

Todas las unidades del sistema fueron conectadas utilizando tuberías plásticas tipo Masterflex

Pharmed con una baja permeabilidad al oxígeno disuelto [52].

Con el objetivo de obtener un sistema de tres electrodos para los estudios electroquímicos, la

celda de flujo fue construida en dos partes: A) Un cuerpo externo que alberga el contra

electrodo y el electrodo de referencia. El electrodo de referencia puede ser cambiable. El contra

electrodo es una sección tubular de acero inoxidable tipo AISI 316L, el cual va unido al cuerpo

externo a través de accesorios plásticos de PVC, ajustándolo cuidadosamente para lograr una

posición de simetría con respecto al eje axial. Un electrodo de referencia Ag/AgCl (saturado en

KCl y con un potencial de 196 mV/EEH) fue posicionado a una altura de 4 mm por sobre el

contra electrodo con el objetivo de minimizar la caída de potencial óhmico entre el electrodo de

trabajo y el electrodo de referencia, además de reducir la interferencia con la obtención de un

perfil de flujo desarrollado de la solución agresiva a través de la sección anular; y B) Un eje

cilíndrico conteniendo el electrodo de trabajo bajo condición de simetría axial. Este eje cilíndrico

se inserta en el cuerpo externo para su funcionamiento, obteniéndose de esta forma un espacio

anular absolutamente concéntrico.

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18

Figura 3.1. Izquierda: Diagrama del circuito experimental. A) Bomba de impulsión, B) Tanque de

almacenamiento, C) Celda de flujo anular, D) Medidor de flujo volumétrico, E) Contra electrodo,

F) Electrodo de trabajo (espécimen de estudio), G) Barras de plástico PVC, H) Conexión

eléctrica del electrodo de trabajo, I) Electrodo de referencia, J) Puerto de salida de flujo, y K)

Conducto de ingreso de flujo principal. Derecha: Diseño del electrodo de trabajo.

Por otra parte, con el objetivo de mantener una simetría radial al eje central y minimizar la

formación de remolinos locales causados por la inyección de la solución agresiva, los puertos

de ingreso para la solución agresiva hacia la sección anular, consistieron de cuatro canales

diseñados horizontalmente al eje axial, y posicionados a una altura reducida desde el fondo de

la celda de flujo. Estos cuatro espacios de ingreso se encuentran conectados a un conducto

tubular principal ubicado por debajo de la base de la celda anular. A excepción de los

electrodos de trabajo y contra electrodo, la construcción de la celda electroquímica fue realizada

a partir de materiales no metálicos, incluso la bomba de impulsión. La composición química del

acero 316L y la justificación de su uso como contra electrodo es presentado en el Anexo 1.

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19

3.1.1. Diseño del electrodo de trabajo

Los electrodos de trabajo fueron construidos a partir de barras metálicas comerciales de acero

al carbono tipo AISI 1020 de composición nominal promedio (% peso): 0.2 C, 0.15 Si, 0.3 Mn,

≤0.04 P, ≤0.05 S, ≤0.001 Cr, ≤0.001 Mo, ≤0.01 Ni, y balance de Fe. Las barras metálicas fueron

moldeadas cilíndricamente con ayuda de un torno mecánico para luego ser ensambladas con

adaptadores plásticos de PVC por ambos extremos, obteniéndose así un cilindro compuesto de

diámetro uniforme. El contacto eléctrico fue conservado a través de una delgada barra de acero

inoxidable tipo AISI 316L el cual fue atravesado concéntricamente por la parte interna del

adaptador superior del cilindro compuesto, hasta hacer contacto con el espécimen metálico tal

como se muestra en la Figura 3.1.

3.1.2. Procedimiento experimental

Previo a los ensayos electroquímicos, se realizaron pruebas preliminares durante un período de

30 min en ausencia del electrodo de trabajo (reactor tubular en blanco) y bajo la recirculación de

la solución agresiva a un caudal predeterminado. Estos ensayos preliminares permiten la

remoción de burbujas de aire contenidas en las unidades del circuito experimental, las cuales

podrían ocasionar lecturas erróneas debido a su adsorción sobre la superficie del espécimen

metálico. Al mismo tiempo, durante estos ensayos, se monitorearon los valores iniciales de la

concentración de oxígeno disuelto, pH y temperatura de la solución agresiva en estudio. Sus

magnitudes numéricas son resumidas en el Anexo 2 para cada solución agresiva en estudio.

Por otra parte, antes de realizar las mediciones electroquímicas, el electrodo de trabajo fue

pulido secuencialmente utilizando papel lija de carburo de silicio hasta un tamaño de grano de

#1200, lavados en un baño ultrasónico con alcohol etílico durante 5 min, y finalmente

enjuagados con acetona. Posterior al período de estabilidad del sistema electroquímico y

tratamiento superficial del electrodo de trabajo, la bomba de impulsión fue detenida

temporalmente para poder insertar al reactor tubular el cilindro compuesto que contiene al

electrodo de trabajo, e iniciándose inmediatamente las mediciones electroquímicas.

Entonces, el diseño y construcción de la celda de flujo anular consideró los siguientes aspectos:

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20

Celda electroquímica compuesta por tres electrodos, el cual considera

recomendaciones básicas dadas en la literatura: A) Una pequeña distancia entre el

electrodo de trabajo y el electrodo de referencia, y B) Simetría del contra electrodo para

lograr un campo eléctrico homogéneo en frente al electrodo de trabajo.

Aplicabilidad a superficies de áreas extendidas sometidas bajo condiciones controlables,

en contraste con procedimientos actuales en que el espécimen está restringido a

superficies de áreas reducidas y régimen de flujo idealizado.

La decisión de utilizar un contra electrodo fabricado en acero tipo 316L se basa en

términos económicos debido a la extensa superficie requerida para la construcción de la

celda de flujo anular. Ensayos de estabilidad electroquímica fueron corroborados con

resultados presentados en literatura, revelando una amplia ventana de estabilidad

electroquímica [53-56]. Curva de polarización para un electrodo de acero inoxidable tipo

316L es mostrado en el Anexo 1.

Permite sobrellevar dificultades observadas en celdas electroquímicas compuestas de

dos electrodos, un ánodo y un cátodo, donde el ánodo actúa como un electrodo de

referencia, por lo que es muy difícil mantener un potencial fijo mientras al mismo tiempo

es impuesta una corriente eléctrica sobre la misma para inducir la reacción redox [17,

18, 101, 102].

3.2. Electrodo de disco rotatorio

Mediciones electroquímicas utilizando un electrodo de disco rotatorio fueron realizadas en una

celda de vidrio convencional con un sistema de tres electrodos. Los electrodos de trabajo fueron

construidos a partir de pequeños especímenes metálicos de geometría cilíndrica (4 mm de

diámetro y 10 mm de largo) los cuales fueron insertos dentro una vaina plástica cilíndrica (8 mm

de diámetro y 20 mm de largo) compuesta de perforaciones adecuadas y sellados con resina

adhesiva, de manera que solo la superficie plana inferior (área igual a 0.1257 cm2) pueda estar

expuesta a la solución agresiva. Un espiral de platino y un electrodo de Ag/AgCl (saturado en

KCl con un potencial de 196 mV/EEH) fueron utilizados como contra electrodo y electrodo de

referencia respectivamente. La Figura 3.2 muestra un esquema de la celda electroquímica con

electrodo de disco rotatorio.

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21

Figura 3.2. Izquierda: Celda electroquímica con sistema de electrodo de disco rotatorio. A)

Contra electrodo, B) Electrodo de trabajo, C) Electrodo de referencia. Derecha: Conexión del

electrodo de trabajo al eje de giro del potenciostato.

Previo a los ensayos electroquímicos, se realizó un tratamiento superficial del electrodo de

trabajo similar al llevado en los ensayos con la celda de flujo anular.

3.3. Soluciones de electrolitos

Soluciones de estudio fueron preparadas a partir de reactivos de NaCl y LiBr grado analítico

(Merck-Chile) y agua destilada. Previo a las mediciones, las soluciones fueron burbujeadas con

aire y/o nitrógeno de alta pureza (INDURA) con el objetivo de obtener soluciones con un

elevado y/o bajo contenido de oxígeno disuelto, respectivamente. La concentración de oxígeno

disuelto en solución fueron medidas utilizando un sensor óptico Orion 3-Star Plus con una

resolución de 0.01 y precisión de ±0.2 mg/L. Un pH-metro Orion 3-Star Plus fue utilizado para

las mediciones de pH de la solución. Todas las soluciones fueron preparadas sin amortiguador

de pH a una temperatura ambiente de 22±0.5 °C. El burbujeo de gases (oxígeno o nitrógeno)

fue mantenido hasta la culminación de los ensayos electroquímicos. El Anexo 2 muestra un

resumen de las propiedades físicas de la solución agresiva, tales como concentración inicial de

oxígeno disuelto y pH de la solución.

3.4. Condiciones de estudio experimental

Con el objetivo de estudiar el fenómeno de corrosión sobre superficies de acero al carbono de

geometría variable, mediciones electroquímicas con un potenciostato fueron realizadas

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22

utilizando la técnica de voltametría de barrido lineal bajo diferentes condiciones hidrodinámicas

y concentraciones de NaCl y LiBr. Las mediciones electroquímicas fueron realizadas utilizando

la celda de flujo anular propuesta en el presente trabajo, así como una celda convencional con

electrodo de disco rotatorio con fines de comparación. Las condiciones hidrodinámicas en la

celda de flujo anular variaron dentro un amplio rango de velocidades de flujo de la solución

agresiva entre 0.06 y 1.26 m/s medidas en la sección anular de flujo, y velocidades de rotación

entre 1500 y 6863 rpm para el electrodo de disco rotatorio. La concentración de sales

estudiadas (NaCl y LiBr) variaron entre un rango de 0.5 y 4 mol/L. Algunos parámetros físicos

como la concentración de oxígeno disuelto y pH fueron medidas experimentalmente, en cambio

otros parámetros como densidad y viscosidad de la solución, y difusividad de oxígeno fueron

determinadas utilizando correlaciones matemáticas predictivas dadas en literatura [57-60]. Las

magnitudes numéricas de estos parámetros son resumidas en Anexo 2.

Una información más detallada de las condiciones experimentales consideradas en el presente

trabajo de investigación, está descrita en la sección de Resultados y Discusión,

correspondientes a la celda de flujo anular y la celda con electrodo de disco rotatorio

respectivamente.

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23

4. RESULTADOS Y DISCUSION

Con el objetivo de conservar una condición estacionaria sobre las reacciones de electrodo que

ocurren durante las mediciones electroquímicas, el presente capítulo se enfoca en analizar y

seleccionar la velocidad de barrido de potencial adecuada para los ensayos electroquímicos

utilizando la celda de flujo anular. El análisis estará limitado a la selección de una concentración

de solución agresiva y velocidad de flujo de solución a través de la sección anular.

4.1. Técnicas de voltametría de barrido de potencial

En el diverso grupo de técnicas potenciodinámicas aplicadas a estudios electroquímicos, las

más utilizadas son la voltametría de barrido lineal y cíclica [1, 9, 61]. En el marco de los estudios

de corrosión metálica, la principal utilidad de estos métodos involucra la determinación de

parámetros cinéticos y de corrosión a partir de métodos gráficos o numéricos. Por otro lado,

dentro los estudios de pasivación, estas técnicas entregan la ventana de potenciales donde una

región pasiva es accesible para un metal en condiciones predefinidas en las cuales podría

ocurrir el rompimiento de la película pasiva [62, 63, 9]. Usualmente estas técnicas se inician

desde una región catódica en dirección anódica a una velocidad de barrido de potencial

predefinida. La norma ASTM G-59 [64], sugiere una velocidad de 0.167 mV/s.

En el presente estudio, el impacto de la velocidad de barrido de potencial fue estudiado dentro

un rango de 1 mV/s hasta 200 mV/s sobre superficies de acero al carbono (área 0.94 cm2)

inmerso en una solución aireada 1 mol/L de LiBr a una velocidad de flujo de solución fija igual a

0.5 m/s. Las mediciones fueron realizadas utilizando un potenciostato Ivium Stat Potentiostat

(Ivium Technologies) controlado por Ivium Soft Electrochemistry Software.

La Figura 4.1 muestra curvas de polarización para superficies cilíndricas de acero al carbón

obtenidas a diferentes velocidades de barrido de potencial en dirección positiva.

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24

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40 1 mV/s

5 mV/s

20 mV/s

50 mV/s

100 mV/s

200 mV/s

i,

A/m

2

E, mV/EEH

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

1 mV/s

5 mV/s

20 mV/s

50 mV/s

100 mV/s

200 mV/s

log

i,

A/m

2

E, mV/EEH

B

Figura 4.1. Curvas de polarización (A), y diagrama de Tafel (B), obtenidos para el acero al

carbono a diferentes velocidades de barrido de potencial. 1 mol/L LiBr, =0.5 m/s.

Estas curvas de polarización revelan que ambas mesetas catódicas y anódicas fueron

fuertemente influenciadas con la velocidad de barrido . Con el incremento en la velocidad de

barrido ambas mesetas anódicas y catódicas exhibieron un incremento en su densidad de

corriente, así como un desplazamiento de sus mesetas a través de potenciales más negativos y

positivos respectivamente. Además, los cambios en la densidad de corriente catódica para

velocidades de 1 y 5 mV/s, muestran un acelerado incremento para potenciales muy negativos,

los cuales disminuyen progresivamente con el potencial hasta alcanzar una meseta plana que

se extiende sobre un rango entre -300 y -700 mV/EEH, siguiendo una tendencia exponencial

hacia una densidad de corriente total nula. Este perfil en la densidad de corriente claramente

indica que las principales reacciones de reducción sobre la superficie metálica son atribuidas a

la RRO (E>-700 mV/EEH) y la REH (E<-700 mV/EEH) [36, 5, 65-68]. Cabe señalar que los altos

valores de densidad de corriente observado a E<-700 mV/EEH, no puede atribuirse a la

reacción de reducción de iones litio, debido a que su potencial de reducción igual a -3.04 V/EEH

está muy lejos de la ventana de las curvas de polarización obtenidas [9]. Basados en estas

observaciones a bajos valores de , es posible afirmar que la cinética de la RRO puede ser

descrita por un mecanismo de control mixto por transferencia de masa y carga, mientras que la

cinética de la REH es principalmente controlada por un mecanismo de transferencia de carga.

Respecto a la influencia de la velocidad de barrido, se observa una desaparición paulatina de la

meseta catódica para la RRO con un incremento en . En particular, a partir de >50 mV/s se

observan valores muy bajos de densidad de corriente. Estos cambios sobre la RRO confirma la

importancia del tiempo requerido para la difusión de moléculas de oxígeno a través de la

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25

película de difusión de Nernst hasta llegar a la superficie metálica. Acorde a estos resultados, a

velocidades de barrido de potencial muy elevadas no es posible completar la reacción de

reducción de oxígeno [69], por lo que bajo estas condiciones solo se observan formas de las

curvas atribuidas a la REH.

Para la meseta correspondiente a la reacción de oxidación de hierro, los resultados

experimentales revelaron que a bajas velocidades de barrido (1 y 5 mV/s), la señal en la

densidad de corriente comienza a incrementar exponencialmente con el potencial, a diferencia

de los resultados obtenidos para >50 mV/s, donde las curvas de polarización muestran la

formación de una curva convexa (con tendencia hacia una meseta anódica plana) entre los

valores cercanos al potencial de corrosión, seguida por un incremento acelerado en la densidad

de corriente. Acorde a estos resultados, es posible notar que la aplicación de la metodología de

extrapolación de Tafel no puede ser aplicada a los casos de elevada velocidad de barrido de

potencial.

Según las curvas de polarización de la Figura 4.1, el incremento en la velocidad de barrido de

potencial está muy relacionado a cambios en la forma de las mesetas anódicas y catódicas, así

como al desplazamiento de los potenciales de corrosión hacia el lado catódico. Un aspecto de

importancia son los cambios de pH local que se deberían producir en la interface sólido-liquido,

debido a la producción local de iones de carga específica en ausencia de un amortiguador de

pH en solución. En este sentido, es conocido que durante las reacciones catódicas de

reducción, la superficie metálica es cargada negativamente, de manera que los iones de carga

positiva (Li+, H+) migran hacia la superficie metálica, generando un exceso de iones cargados

negativamente (OH-, Br-) muy cerca de la zona de difusión de Nernst [70], en adición a la

elevada producción de iones hidroxilo, desde la RRO y la REH, los cuales difunden desde la

superficie metálica hacia la solución. Este proceso promovería un elevado pH cerca de la

película de difusión durante un barrido de potencial en dirección positiva, el cual no

necesariamente sería el mismo pH que el medido en el seno de la solución [71, 70, 27]. Con el

objetivo de asegurarse que las mesetas planas observadas en la zona anódica son atribuidas a

variaciones en el pH superficial debido a la dirección positiva del barrido de potencial, curvas de

polarización fueron obtenidas en dirección negativa a velocidades de 1 mV/s y 100 mV/s para

los electrodos de acero al carbono bajo las mismas condiciones hidrodinámicas. Los resultados

son presentados en la Figura 4.2.

Page 36: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

26

-800 -600 -400 -200 0-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40 1 mV/s

100 mV/si,

A/m

2

E, mV/EEH

A

-800 -600 -400 -200 0-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

1 mV/s

100 mV/s

log

i,

A/m

2

E, mV/EEH

B

Figura 4.2. Curvas de polarización (A), y diagramas de Tafel (B), para el acero al carbono en

solución 1 mol/L LiBr obtenidas en dirección positiva (línea sólida) y dirección negativa (línea

punteada) a diferentes velocidades de barrido de potencial. =0.5 m/s

La influencia de la dirección de barrido muestra que las curvas de polarización obtenidas en

dirección negativa no revelaron la formación de una curva convexa (o en otras palabras la

tendencia hacia una meseta plana) en la zona anódica. Esto puede ser explicado bajo un

concepto inverso al descrito anteriormente relacionado con el transporte de especies químicas

cargadas. Por tanto, estos resultados confirman que la curva convexa en la zona anódica es

causada por cambios en el pH sobre la interface sólido-líquido, que persisten en el tiempo

debido a altas tasas de barrido de potencial. En efecto, altos valores de pH superficial producido

en el extremo catódico (con altas tasas de barrido de potencial) persistirían aún a valores

anódicos debido a limitaciones de transferencia de masa, produciendo un efecto pasivante que

frenaría la oxidación de hierro, y generando una curva de polarización anódica convexa. Los

altos valores de pH cercanos a 11 a potenciales catódicos se demuestran en un diagrama de

Pourbaix para el sistema Fe-H2O (Figura 2.1) [12]. En contraste con lo anterior, las curvas de

polarización obtenidas en dirección positiva a =100 mV/s fueron completamente diferentes.

Estas diferencias observadas entre los sentidos de barrido no se observaron a =1 mV/s, lo

cual confirma la obtención de un estado estacionario [72].

Mediante una representación gráfica de vs . , como se muestra en la Figura 4.3, se

obtiene una relación lineal que se mantiene hasta un valor de aproximadamente . =7.07

(mV/s)0.5 ( >50 mV/s) a partir de lo cual disminuye paulatinamente su pendiente. Estos

Page 37: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

27

resultados sugieren un proceso de difusión de las especies electroactivas, basados en la teoría

de Randles-Sevcik [9].

0 2 4 6 8 10 12 14 16

-650

-600

-550

-500

-450

-400

-350

-300

-250

Ec

orr,

mV

/EE

H

v 0.5, (mV/s)0.5

R2=0.94

Figura 4.3. Variaciones en el

potencial de corrosión como

función de la raíz cuadrada de

la velocidad de barrido de

potencial.

Page 38: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

28

4.2. Celda de flujo anular

La siguiente sección detalla el comportamiento electroquímico del acero al carbono inmerso en

un rango variable de velocidad de flujo y concentraciones de soluciones de NaCl y LiBr. El

objetivo principal es proveer un entendimiento comprehensivo acerca de la cinética de corrosión

sobre superficies extendidas metálicas expuestas bajo un flujo axial de solución agresiva.

Específicamente se describen las variaciones en la tasa de corrosión debido a incrementos en

las concentraciones de iones cloruros y bromuros en solución, además de las condiciones

hidrodinámicas del fluido.

4.2.1. Corrosión del acero al carbono por soluciones de NaCl

4.2.1.1. Condiciones experimentales

La celda de flujo anular utilizada en el presente estudio involucra una sección anular con un

radio de la pared externa igual a � =1 cm, y un radio de la pared interna igual a � =0.55 cm el

cual es igual al radio del electrodo de trabajo. Un cilindro de acero al carbono con 3.45 cm2 de

área superficial ( = 1 cm) fue utilizado en todos los ensayos electroquímicos. El conducto

principal de ingreso de solución (conectado al flujo-metro y bomba de impulsión) mantuvo un

diámetro de 7 mm.

Los ensayos electroquímicos consideraron un rango de velocidades medias de solución

(medido en la sección anular) entre 0.06 y 0.29 m/s, para concentraciones de 1, 2 y 4 mol/L

NaCl. Todas las soluciones de ensayo fueron preparadas a temperatura ambiente de 22 °C en

ausencia de amortiguador de pH. Los valores del pH de solución variaron entre 6.6 y 6.9 para el

rango de concentraciones de 1 a 4 mol/L NaCl. Las mediciones de la concentración inicial de

oxígeno disuelto en solución presentaron valores de 0.21, 0.166 y 0.149 mol/m3

correspondientes a las soluciones de 1, 2 y 4 mol/L NaCl, respectivamente. En orden a

confirmar la presencia de oxígeno disuelto en las curvas de polarización y su contribución en el

proceso de corrosión, mediciones electroquímicas fueron realizadas removiendo el oxígeno

disuelto por burbujeo de la solución con nitrógeno de alta pureza. Durante este procedimiento,

la concentración de oxígeno disuelto remanente en solución fue menor a 0.1 mg/L.

Page 39: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

29

Mediciones electroquímicas utilizando la técnica de voltametría de barrido lineal fueron

realizadas utilizando un sistema VOLTALAB 40 acoplado a un potenciostato/galvanostato

PGZ301, donde se consideró un amplio rango de potenciales desde -900 mV/EEH hasta -150

mV/EEH, las cuales fueron obtenidas en dirección anódica a una velocidad de barrido de 1

mV/s con el objetivo de alcanzar una condición estacionaria sobre las reacciones de electrodo.

Inspecciones morfológicas de los especímenes fueron realizados utilizando un microscopio

electrónico de barrido (Scanning Electron Microscope, SEM) marca Zeiss Leo 1550 FE-SEM

acoplado a un sistema de análisis elemental utilizando espectroscopia de energía dispersiva de

rayos X.

4.2.1.2. Experiencias bajo condiciones desaireadas

La Figura 4.4 muestra curvas de polarización experimentales obtenidas para especímenes de

acero al carbono sometidos a un flujo axial de solución desaireada de NaCl. Adicionalmente, la

Figura 4.5 muestra un ejemplo de curvas de polarización experimental y curvas de polarización

parciales sintetizadas a partir del análisis numérico descrito anteriormente (ver sección 2.5.3).

Estas curvas fueron construidas a partir de las ecuaciones (2-7), (2-13) y (2-18), y parámetros

cinéticos tabulados en Tabla 4.1. El buen ajuste entre valores experimentales y ajustados

confirma la aplicabilidad de la teoría del potencial mixto a estudios de fenómenos de corrosión.

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300

-4

-2

0

2

4

61 mol/L NaCl

2 mol/L NaCl

4 mol/L NaCl

i,

A/m

2

E, mV/EEH

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300-3

-2

-1

0

1B

1 mol/L NaCl

2 mol/L NaCl

4 mol/L NaCl

log

i,

A/m

2

E, mV/EEH

Figura 4.4. Curvas de polarización (A), y diagramas de Tafel (B), para el acero al carbono en

soluciones desaireadas de 1, 2 and 4 mol/L NaCl. =0.29 m/s, =1 mV/s.

Page 40: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

30

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300

-4

-2

0

2

A

icorr

Ecorr

i, A

/m2

E, mV/EEH

iexp

imod

iFe

iH2

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300-3

-2

-1

0

1B

Ecorr

log

i,

A/m

2

E, mV/EEH

iexp

imod

iFe

iH2

icorr

Figura 4.5. Síntesis de curvas de polarización para el acero al carbono en soluciones

desaireadas 2 mol/L NaCl. Curvas de polarización (A), y diagramas de Tafel (B). =0.29 m/s,

=1 mV/s.

Tabla 4.1: Parámetros cinéticos y de corrosión para la corrosión del acero al carbono por

soluciones desaireadas de NaCl a una velocidad de flujo de solución de 0.29 m/s.

Fe H2

NaCl

mol/L

Feb

mV/dec

Fei ,0

A/m2

2Hb

mV/dec

2,0 Hi

A/m2

corrE

mV/EEH

corri

A/m2

1 174 0.292 -144 -5.37x10-3 -639 0.23

2 219 0.327 -151 -6.27x10-3 -645 0.25

4 265 0.337 -149 -5.66x10-3 -650 0.26

En la región anódica de las curvas de polarización (Figura 4.4) se observa una variación

particular en la densidad de corriente para potenciales altamente positivos, la cual es

caracterizada por una desviación significativa desde su tendencia lineal en los diagramas de

Tafel, principalmente a elevadas concentraciones de NaCl. Esta desviación se atribuye a una

ligera pasivación de la superficie metálica debido a la precipitación de productos de corrosión

solubles sobre los sitios anódicos, tales como Fe(OH)2 y/o Fe(OH)3 [51, 73, 74]. Se destaca de

la Tabla 4.1, que un incremento en la concentración de NaCl produce un incremento en la

pendiente de Tafel Feb , en contraste con los valores de la densidad de corriente de intercambio

que no revelaron variaciones apreciables.

Page 41: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

31

Respecto a la composición de las curvas de polarización parciales (Figura 4.5), estas muestran

que ambas reacciones electroquímicas son perfectamente descritas por un mecanismo de

control por transferencia de carga, las cuales además son visualmente apreciadas en las

mesetas anódicas y catódicas por una extensión exponencial (Figura 4.5-A) y una extensión

lineal en el diagrama de Tafel (Figura 4.5-B). De la Tabla 4.1 se observa que la pendiente de

Tafel 2Hb y la densidad de corriente de intercambio

2,0 Hi no exhiben variaciones significativas

con la concentración de NaCl. Adicionalmente, los resultados muestran que el incremento en la

concentración de NaCl produce ligeros incrementos en la tasa de corrosión desde 0.23 hasta

0.26 A/m2 para concentraciones de 1 a 4 mol/L NaCl, así mismo los potenciales de corrosión

( se desplazaron hacia potenciales más negativos, lo cual podría atribuirse a variaciones

en el pH superficial del espécimen.

4.2.1.3. Experiencias bajo condiciones aireadas

La Figura 4.6 muestra un ejemplo de las curvas de polarización experimental y sintetizada para

acero al carbono en soluciones aireadas de NaCl. Tal como se esperaba, las curvas de

polarización experimentales exhibieron un buen ajuste con curvas generadas desde los

modelos cinéticos propuestos (ver sección 2.5.). Adicionalmente, en esta figura se muestra que

durante el barrido de potencial en la zona catódica, las curvas de polarización comienzan con

una densidad de corriente muy elevada, la cual va disminuyendo hacia una meseta plana entre

potenciales de -700 mV/EEH y -500 mV/EEH aproximadamente, para finalmente converger

hacia una densidad de corriente total nula a valores del potencial de corrosión. Una descripción

detallada de estas zonas en la región catódica es expresada en términos de la REH observada

a potenciales muy negativos, y la RRO donde la meseta plana indica la densidad de corriente

máxima para esta reacción. Esta corriente máxima es debido al transporte de moléculas de

oxígeno disuelto desde el seno de la solución hacia la superficie metálica a través de un

proceso difusivo, y donde la densidad de corriente está definida como la densidad de corriente

límite , .

Page 42: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

32

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20A

icorr

iexp

imod

iO2

iFe

iH2

i, A

/m2

E, mV/EEH

Ecorr

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

icorr

Ecorr

log

i,

A/m

2

E, mV/EEH

iexp

imod

iO2

iFe

iH2

B

Figura 4.6. Síntesis de las curvas de polarización para el acero al carbono inmerso en solución

aireada de 2 mol/L NaCl. =0.29 m/s y =1 mV/s. Curva de polarización (A), y diagrama de

Tafel (B).

4.2.1.4. Experiencias bajo condiciones estancadas de soluciones aireadas

La Figura 4.7 muestra curvas de polarización para el acero al carbono inmerso en soluciones

aireadas de diferentes concentraciones de NaCl bajo condiciones estancadas. Desde esta

figura, claramente se observa que la RRO presenta una notoria dependencia con la

concentración de sal en solución, como una disminución de la meseta plana con un incremento

de la concentración de NaCl en solución. Este comportamiento es más evidente cuando el

contenido de sal sobrepasa la concentración de 4 mol/L NaCl, donde para estas condiciones la

meseta plana prácticamente no existe (Figura 4.7). Por tanto, esta concentración de 4 mol/L

NaCl puede ser considerado como un valor umbral donde la RRO actúa positivamente en la

corrosión del acero al carbono.

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-15

-10

-5

0

5

10

15 1 mol/L NaCl

2 mol/L NaCl

4 mol/L NaCl

i, A

/m2

E, mV/EEH

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-3

-2

-1

0

1

1 mol/L NaCl

2 mol/L NaCl

4 mol/L NaCl

log

i, A

/m2

E, mV/EEH

B

Page 43: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

33

Figura 4.7. Curvas de polarización (A), y diagramas de Tafel (B), para el acero al carbono

inmerso en soluciones estancadas de 1, 2 y 4 mol/L NaCl. =1 mV/s.

El desplazamiento en las mesetas de difusión de oxígeno con el incremento en la concentración

de NaCl en solución, es atribuida a una dependencia de las propiedades físicas del electrolito

con el contenido de sales disueltas, tales como viscosidad, densidad, solubilidad y difusividad,

los cuales gobiernan la transferencia de oxígeno disuelto desde el seno de la solución hacia la

superficie metálica [26, 57]. Entonces, para concentraciones muy elevadas de NaCl y bajo

condiciones de solución estancada, el análisis de la corrosión para el acero al carbono puede

ser modelado desde las reacciones de oxidación de hierro y la REH, respectivamente.

La zona catódica para la REH, observada a valores más negativos que -800 mV/EEH (Figura

4.7-A), exhibe solamente un ligero incremento en | | con la concentración de NaCl. En la región

anódica de las curvas de polarización (Figura 4.7), los resultados muestran que estas mesetas

permanecen inalteradas con el incremento en la concentración de NaCl, por lo que el ligero

desplazamiento de las mesetas anódicas hacia potenciales más negativos es causado por una

progresiva disminución en la RRO. Acorde a estos resultados, es interesante notar que estas

condiciones de estudio originan un valor máximo en la tasa de corrosión de 0.49 A/m2 para 2

mol/L NaCl, ya que a concentraciones de 4 mol/L NaCl la tasa de corrosión es despreciable, y el

proceso de corrosión es controlada por la REH. A esta concentración de 4 mol/L NaCl, la tasa

de corrosión fue igual a 0.04 A/m2, la cual es significativamente inferior a la tasa de corrosión

observada bajo condiciones desaireadas e igual a 0.26 A/m2, indicando que bajo condiciones

estancadas una o ambas reacciones de oxidación o evolución de hidrógeno son inhibidas. Una

posibilidad para la explicación de estas diferencias observadas en los valores de las tasas de

corrosión, puede ser relacionada con la acumulación de micro burbujas de hidrógeno sobre la

superficie metálica debido a las condiciones físicas de la solución y la ausencia de un

movimiento del fluido que las remueva.

4.2.1.5. Experiencias bajo condiciones de flujo de soluciones aireadas

Las Figuras 4.8 y 4.9 muestran curvas de polarización para acero al carbono inmerso bajo

diferentes velocidades de flujo y concentraciones de NaCl. Se observan patrones particulares

de variación de las curvas de polarización con la velocidad de flujo de solución y concentración

Page 44: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

34

de NaCl. Para concentraciones de 1 y 2 mol/L NaCl y velocidades de flujo menores a 0.17 m/s,

las curvas de polarización experimentales muestran una región donde se produce una

intersección en la densidad de corriente a un potencial aproximado de -250 mV/EEH. Para

concentraciones de 4 mol/L NaCl, esta zona de intersección es apenas observada debido al

ruido en las curvas de polarización (Figura 4.8-A3 y 4.8-B3).

A una determinada velocidad de flujo constante, la influencia del incremento en la concentración

de NaCl se visualiza como un desplazamiento paralelo de las curvas de polarización hacia

magnitudes más bajas para la meseta de difusión de oxígeno disuelto (Figura 4.9). En este

caso, a diferencia del efecto de la velocidad del flujo, no se observa punto de intersección entre

curvas de polarización. Este comportamiento se mantiene dentro de todo el rango de

velocidades de flujo estudiadas, mientras que para las soluciones desaireadas esto no se

observa (Figura 4.4-A). Estas formas de variación en las curvas de polarización son la

respuesta a una combinación de factores tales como la cinética de difusión del oxígeno disuelto,

cambios en los mecanismos de transferencia, formación y propagación de sitios de picado,

además de fenómenos de pasivación. En términos generales, las curvas de polarización

obtenidas para soluciones aireadas pueden ser sintetizadas a partir de una superposición lineal

de las curvas de polarización para soluciones con ausencia de oxígeno más curvas de

polarización parciales para la RRO.

El desplazamiento de los potenciales de corrosión hacia valores más positivos (Figura 4.8) bajo

la influencia de la velocidad de flujo sobre las curvas de polarización, es resultado de un

incremento en | , |, el cual es atribuido al incremento en la concentración de oxígeno disuelto

cerca de la superficie metálica. Por el contrario, el incremento en la concentración de NaCl en

solución, produce un desplazamiento de los potenciales de corrosión en la dirección catódica

(Figura 4.9). Estos cambios son atribuidos a las variaciones en el transporte de productos o

reactantes a elevadas velocidades de flujo y concentraciones de NaCl. En términos de la

reacción de oxígeno disuelto, el incremento en la velocidad de flujo se relaciona a un

incremento en | , |, lo cual es resultado de una disminución en el espesor de la película de

difusión, y en consecuencia un camino más corto para el flujo de moléculas de oxígeno desde el

seno de la solución hacia la superficie metálica del electrodo de trabajo [24]. Por otro lado, la

disminución en | , | con la concentración de NaCl es atribuida a variaciones en las

propiedades físicas que ocurren con un incremento en la salinidad de la solución, tales como

una alta viscosidad de la solución, o una baja solubilidad y difusividad del oxígeno, restringiendo

Page 45: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

35

de esta forma la transferencia de moléculas de oxígeno hacia la superficie del electrodo de

trabajo (Figura 4.9).

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-15

-10

-5

0

5

10

15 0.06 m/s

0.12 m/s

0.17 m/s

0.23 m/s

0.29 m/s

i, A

/m2

E, mV/EEH

A1

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

0.06 m/s

0.12 m/s

0.17 m/s

0.23 m/s

0.29 m/s

log

i,

A/m

2

E, mV/EEH

B1

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-15

-10

-5

0

5

10

15A2 0.06 m/s

0.12 m/s

0.17 m/s

0.23 m/s

0.29 m/s

i, A

/m2

E, mV/EEH -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5B2

0.06 m/s

0.12 m/s

0.17 m/s

0.23 m/s

0.29 m/s

log

i,

A/m

2

E, mV/EEH

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-15

-10

-5

0

5

10

15A3 0.06 m/s

0.12 m/s

0.17 m/s

0.23 m/s

0.29 m/s

i, A

/m2

E, mV/EEH -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5B3

0.06 m/s

0.12 m/s

0.17 m/s

0.23 m/s

0.29 m/s

log

i,

A/m

2

E, mV/EEH

Figura 4.8. Influencia de la velocidad de flujo sobre las curvas de polarización (A), y gráficos de

Tafel (B) para el acero al carbono inmerso en soluciones de 1 mol/L (1), 2 mol/L (2) y 4 mol/L (3)

NaCl. = 1 mV/s.

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36

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-15

-10

-5

0

5

10

15 1 mol/L NaCl

2 mol/L NaCl

4 mol/L NaCl

i,

A/m

2

E, mV/EEH

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

1 mol/L NaCl

2 mol/L NaCl

4 mol/L NaCl

log

i,

A/m

2

E, mV/EEH

B

Figura 4.9. Influencia de la concentración de NaCl sobre curvas de polarización (A), y

diagramas de Tafel (B), para el acero al carbono a una velocidad de flujo de 0.17 m/s. =1

mV/s.

Una observación particular es la presencia de fluctuaciones de ruido en las curvas de

polarización, principalmente en las mesetas catódicas (Figura 4.8). Este ruido puede ser

atribuido al tratamiento superficial de los electrodos de trabajo, los cuales alteran la forma y

distribución de imperfecciones locales y sitios activos sobre la superficie del electrodo [40, 75,

76]. Este efecto combinado con una elevada actividad de iones cloruro en solución, causa un

incremento en la formación de números sitios de picadura y un prematuro rompimiento de la

película de óxidos formados durante la oxidación de hierro [74, 57, 40]. El hecho de no

observarse fluctuaciones de ruido sobre las curvas de polarización en condiciones desaireadas

(Figura 4.4) confirma que la RRO puede actuar como una fuente de ruido. Investigaciones

previas para acero al carbono en soluciones aireadas de concentraciones menores a 1 mol/L

NaCl, no reportan la generación de ruido en las curvas de polarización [50, 5, 33].

Parámetros cinéticos para el acero al carbono en soluciones aireadas obtenidos desde el

procedimiento de minimización de residuos (ver sección 2.5.3), son tabulados en la Tabla 4.2.

Para la pendiente de Tafel Feb no se observa variación significativa con la velocidad de flujo y

concentración de NaCl en solución, los cuales presentaron un valor medio igual a 70 mV/dec.

Además, estos valores de Feb fueron mucho más bajos en comparación a los observados para

condiciones de solución estancada y también en ausencia de oxígeno disuelto (Tabla 4.1 y

Tabla 4.2). Por otra parte, las pendientes de Tafel 2Ob presentan valores promedio de -266, -142

y -108 mV/dec para las soluciones de 1, 2 y 4 mol/L NaCl, respectivamente. Adicionalmente al

bajo contenido de oxígeno disuelto en solución, el incremento en el contenido de NaCl sugiere

Page 47: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

37

un incremento en la adsorción de iones cloruros sobre la superficie del electrodo causando de

esta forma una reducción en los sitios activos para la futura adsorción y rompimiento del enlace

O-O. La literatura presenta diversas propuestas para explicar la dependencia de la actividad del

oxígeno con la concentración de sales en solución en término de variaciones en las pendientes

de Tafel [50, 77-79]. En el presente estudio, estas variaciones en 2Ob pueden ser explicados en

términos de la fracción de superficie del electrodo de trabajo cubierta por moléculas adsorbidas

de oxígeno disuelto, lo cual depende de la naturaleza y estructura de la película de óxidos

depositados sobre el espécimen metálico y/o la presencia de especies inhibidoras [50, 77, 80].

En la literatura se acepta que: a) para bajos valores de 2Ob la adsorción de moléculas de

oxígeno disuelto está representado según la isoterma de Temkin, debido a la presencia de una

superficie altamente cubierta por productos de corrosión o por la adsorción de especies

intermedias, y b) para valores elevados de 2Ob , las moléculas de oxígeno son adsorbidas

según la isoterma de Langmuir, sugiriendo una superficie del electrodo del trabajo poco cubierta

por especies intermedias [80, 81].

Para la REH, no se muestra influencia significativa de la velocidad de flujo y concentración de

NaCl sobre los valores de la pendiente de Tafel 2Hb los cuales variaron entre -190 a -170

mV/dec. Los valores de 2Hb reportados en el presente estudio fueron similares a aquellos

reportados en literatura para un electrodo de disco rotatorio inmerso en soluciones ácidas y

neutras de NaCl [50, 5, 82]. En literatura no se encontraron parámetros cinéticos para la

corrosión del acero al carbono utilizando una celda de flujo anular similar a la desarrollada en el

presente trabajo.

Page 48: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

38

Tabla 4.2.Influencia de las condiciones hidrodinámicas sobre parámetros cinéticos y de

corrosión para el acero al carbono inmerso en diversas concentraciones de NaCl.

Fe H2 O2

NaCl

mol/L

m/s

Feb

mV/dec

Fei ,0

510

A/m2

2Hb

mV/dec

2,0

210 Hi

A/m2

2Ob

mV/dec

2,0

710 Oi

A/m2

2,Oli

A/m2

corrE

mV/EEH

corri

A/m2 corr

Ol

i

i2,

1

0 115 598 -122 -0.101 -218 -10.7 1.53 -409 0.38 4.03

0.06 57 0.007 -120 -0.122 -241 -2180 5.99 -189 2.25 2.66

0.12 67 0.344 -167 -1.34 -264 -7020 6.74 -213 3.21 2.10

0.17 73 1.120 -194 -3.36 -269 -10100 7.47 -213 3.75 1.99

0.23 76 6.640 -189 -3.20 -259 -8370 7.84 -245 4.74 1.65

0.29 68 2.690 -193 -4.37 -297 -29800 8.36 -258 5.15 1.62

Av. 68 2.160 -173 -2.48 -266 -11500 7.28 -224 3.82 2.01

2

0 133 2010 -160 -0.946 -238 -320 0.51 -431 0.49 1.04

0.06 49 0.002 -176 -1.91 -118 -0.0258 5.14 -232 1.68 3.06

0.12 58 0.050 -176 -1.91 -168 -24.5 5.70 -229 2.63 2.17

0.17 67 0.870 -192 -3.51 -145 -2.99 6.19 -244 3.30 1.88

0.23 65 0.924 -210 -5.71 -138 -1.23 6.60 -251 3.67 1.80

0.29 63 1.620 -201 -5.43 -140 -1.57 6.93 -273 4.30 1.61

Av. 60 0.694 -191 -3.70 -142 -6.07 6.11 -246 3.12 2.10

4

0 108 672 -143 -0.502 -- -- -- -532 0.04 --

0.06 68 1.901 -174 -2.23 -89 (-4.66x10-13) 3.59 -288 1.25 2.87

0.12 73 4.763 -178 -2.31 -89 (-1.23x10-12) 3.98 -282 1.77 2.25

0.17 77 8.766 -183 -2.56 -126 -0.121 4.41 -271 2.69 1.64

0.23 74 8.202 -187 -3.34 -120 -0.0423 4.84 -280 2.89 1.67

0.29 65 2.700 -169 -1.92 -118 -0.0315 5.03 -284 3.12 1.61

Av. 71 5.266 -178 -2.47 -108 -0.0389 4.37 -281 2.34 2.01

Diversos modelos matemáticos son propuestos en literatura para describir la transferencia de

masa de oxígeno disuelto a través de correlaciones entre el valor absoluto de la densidad de

corriente límite (| , |) y el número de Sherwood [17, 18, 22, 23]. El modelo obtenido por

Ghoshy Upadhyay [83] para una celda de geometría anular expuesta a un régimen de flujo

Page 49: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

39

laminar, fue la correlación que dio el mejor ajuste a los valores experimentales de | , |, tal

como se aprecia en la Figura 4.10. Para el presente caso, la densidad de corriente límite fue

calculada desde el número de Sherwood )/||(222, OOeqOl DnFcdiSh considerando una relación

geométrica oi rrk / igual a 0.55, y parámetros físicos tabulados en el Anexo 2, obteniéndose

la siguiente relación:

3/1

,

2

222221.3||

electeqO

OOOlLdD

unFDci (4-1)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00

2

4

6

8

10

Exp: 5.463

Ec. 4-1: 6.443

Exp: 6.605

Ec. 4-1: 6.851

Exp: 8.631

Ec. 4-1: 8.827

1 mol/L NaCl

2 mol/L NaCl

4 mol/L NaCl

|il,

O2|

, A

/m2

u1/3, (m/s)1/3

Pendiente:

Figura 4.10. Variación de la densidad de corriente límite con la velocidad de flujo de solución

para el acero al carbono en soluciones de NaCl. Comparación de valores predichos utilizando la

Ec. (4-1).

4.2.1.6. Parámetros de corrosión

Los parámetros cinéticos y de corrosión fueron determinados por el método numérico descrito

en sección 2.5.3 aplicada a curvas de densidad de corriente-potencial experimentales. La

calidad del ajuste de datos se aprecia en las Figuras 4.5 y 4.6, y los parámetros de corrosión

son listados en las Tablas 4.1 y 4.2 para soluciones en ausencia y presencia de oxígeno

disuelto, respectivamente. Tasas de corrosión (expresadas como densidad de corriente de

corrosión) determinadas a una velocidad de flujo de 0.29 m/s, muestran un rango de valores

Page 50: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

40

entre 0.23-0.26 A/m2 para soluciones desaireadas, en contraste con las tasas de corrosión para

soluciones aireadas determinadas a la misma velocidad de flujo, las cuales muestran valores

mayores que 3.12 A/m2. Estos resultados claramente indican la fuerte influencia del oxígeno

disuelto sobre la corrosión del acero al carbono.

En orden a visualizar la influencia del flujo y la concentración de NaCl sobre la tasa de corrosión

del acero al carbono en soluciones aireadas, la Figura 4.11 muestra la relación de corri vs. ,

para diferentes concentraciones de NaCl. Los resultados muestran que el incremento en la

velocidad de flujo de solución a través de la sección anular se relaciona a un incremento en la

velocidad de corrosión, el cual es consecuencia de la reducción en el espesor de la película de

difusión [9]. De acuerdo a previos estudios realizados sobre la corrosión del acero al carbono en

soluciones de NaCl, la tasa de corrosión revela un incremento continuo en sus valores hasta un

valor máximo el cual ocurre a una concentración de 0.5 M NaCl, posteriormente, para

concentraciones mayores a ésta, se observa una disminución en la tasa de corrosión [50, 5]. En

el presente trabajo, esta tendencia en la tasa de corrosión con la concentración de NaCl es

confirmada (Figura 4.11). Estos cambios en la tasa de corrosión se atribuyen al efecto de

precipitación salina (salting-out) debido a la elevada salinidad de la solución agresiva [26], lo

que provoca una disminución en el transporte de masa de especies desde el seno de la

solución hacia la superficie metálica en estudio. La disminución en la tasa de corrosión con la

salinidad observadas en el presente trabajo, están en concordancia con los estudios realizados

por Jiabin Han y coautores [26], quienes utilizaron concentraciones de sal mayores al 20% (en

peso) de NaCl.

La dependencia de la tasa de corrosión corri con la velocidad de flujo media, fue relacionada

acorde a la siguiente expresión [84, 85]:

= (4-2)

La Figura 4.11 muestra la relación de valores experimentales de las tasas de corrosión con los

valores determinados a partir de la ecuación (4-2). De acuerdo al ajuste de datos, los valores de

la constante p fueron iguales a 0.52, 0.57 y 0.6 para concentraciones de 1, 2 y 4 mol/L NaCl,

respectivamente. Estos valores confirman que el proceso de corrosión, para el rango de

velocidades de flujo estudiado, está controlado por un mecanismo mixto de transferencia de

masa y transferencia de carga [84, 85]. Se espera que debido a la baja variabilidad observada

Page 51: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

41

en el exponente p con la concentración de NaCl, el grado de incidencia de la transferencia de

masa sobre las condiciones de corrosión no cambie significativamente con el incremento en la

concentración de NaCl.

0.0 0.1 0.2 0.31

2

3

4

5

6

icorr

= 6.9 u0.60

icorr

= 8.8 u0.57

1 mol/L NaCl

2 mol/L NaCl

4 mol/L NaCl

i co

rr,

A/m

2

u, m/s

icorr

= 9.8 u0.52

Figura 4.11. Influencia de las

condiciones hidrodinámicas

sobre las tasas de corrosión

experimentales (marcadores)

y ajustados (línea sólida)

para el acero al carbono en

soluciones de NaCl. Datos de

la Tabla 4.2.

Este grado de incidencia puede ser visualizado desde los valores de la relación corrOl ii /2, (ver

Tabla 4.2) los cuales cambian desde 4 (baja incidencia) hasta 1.5 (alta incidencia). Sobre esta

base, a elevadas velocidades de flujo de solución se observa un incremento significativo en el

grado de incidencia del transporte de materia.

La Figura 4.12 muestra los potenciales de corrosión corrE versus la velocidad de flujo para

todas las concentraciones de NaCl estudiadas. De la figura, es posible apreciar que los valores

del potencial de corrosión se encuentran por debajo de los -220 mV/EEH, valor de potencial

donde la magnetita es preferencialmente formada [12, 86]. Además un incremento en la

concentración de iones cloruro genera un desplazamiento de potenciales de corrosión a través

de potenciales más negativos, indicando que la resistencia del espécimen a la corrosión

metálica disminuye con el incremento en el contenido de iones cloruros en solución. Esta baja

resistencia también fue observada para los experimentos de corrosión bajo condiciones

desaireadas (Figura 4.4).

Page 52: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

42

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30-350

-300

-250

-200

-150

Ec

orr, m

V/E

EH

u, m/s

1 mol/L NaCl

2 mol/L NaCl

4 mol/L NaCl

Figura 4.12. Dependencia del

potencial de corrosión sobre

la velocidad de flujo de

solución para el acero al

carbono a diferentes

concentraciones de NaCl.

Soluciones aireadas

La dependencia de los potenciales de corrosión con la velocidad de flujo de solución muestra

una tendencia a la disminución en sus valores con el incremento en la velocidad de flujo de

solución. Esto puede ser explicado en términos de un incremento en el esfuerzo de corte sobre

la pared del espécimen a mayores velocidades de flujo de solución, lo que a su vez implica un

elevado riesgo al daño y remoción de la película de óxidos depositados sobre la superficie del

electrodo de trabajo [87], o la formación de una propagación de la corrosión a lo largo de la

dirección del flujo de solución. El análisis morfológico de las superficies corroídas, confirma

estas aseveraciones (más detalles en las siguientes secciones). Otra observación es el grado

de incidencia de la velocidad de flujo sobre la disminución en los potenciales de corrosión con el

incremento en la concentración de sales hasta un máximo de 4 mol/L NaCl, donde los valores

de corrE permanecen aproximadamente constantes para todas las velocidades de flujo de

solución. Los cambios en corrE asociadas a la baja tasa de corrosión, pueden ser explicadas

por la formación de una compacta película protectora depositada sobre la superficie del

electrodo de trabajo y compuesta por los principales productos de corrosión con baja

solubilidad.

4.2.1.7. Análisis teórico del pH superficial

Típicamente en los sistemas acuosos con ausencia de un amortiguador de pH, se esperan

diversos cambios locales de pH sobre la superficie del electrodo originados desde las

Page 53: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

43

reacciones parciales homogéneas que involucran la participación de iones H+ y OH- [88]. Con el

objetivo de examinar estos cambios en el pH superficial efectivo ( ), se realizó un análisis

teórico sobre el transporte de aniones hidroxilos y cationes hidrógeno desde la RRO y la REH

respectivamente.

El análisis matemático está limitado a un flujo de solución a través de un canal anular tal como

se muestra en la Figura 3.1. Algunas consideraciones y suposiciones tienen que ser realizadas

para simplificar el análisis del sistema: 1) La actividad de los aniones hidroxilo, cationes

hidrógeno y oxígeno molecular en solución son iguales a sus concentraciones respectivas; 2) El

exceso de electrolito de soporte y la presencia iones inertes (Cl- y Na+) no alteran las

mediciones de la señal de corriente, por tanto la contribución a la transferencia de masa debido

a un efecto de migración iónica puede ser despreciable. Sobre la base del régimen de flujo

dentro la sección anular, el cual es caracterizado por el número de Reynolds (Re) variando

entre valores de 420 y 2754 (Anexo 2), en el presente trabajo se considera que el flujo del fluido

no pierde estabilidad a un Re=2754, y que las ondulaciones de flujo son despreciables cerca de

la superficie metálica, manteniéndose de esta forma un flujo desarrollado y laminar. Por tanto, el

flujo podría mantener una homogénea distribución de especies iónicas y moleculares desde el

seno de la solución hasta la película de difusión cercana a la superficie del electrodo de trabajo

[58]. Bajo las consideraciones previamente descritas, y asumiendo un estado estacionario, la

ecuación de transporte para el transporte de iones hidroxilos dada por la relación de Nernst-

Planck puede ser escrita por [9]:

OHz

OH

OHOHcu

r

cDJ

sup

(4-3)

Desde la relación molar 1:4 entre el oxígeno disuelto y el ion hidroxilo en la reacción (2-12), y la

relación molar 1:1 para las moléculas de agua y el ion hidroxilo en la reacción (2-10), el término

del transporte de materia mediante difusión en la ecuación (4-3), puede ser resuelta a partir de

la ley de Fick de la difusión [89]. Entonces, la relación entre la densidad de flujo másico de iones

hidroxilo y del oxígeno disuelto desde la reacción (2-12) es igual a:

24 OORROH

JJ (4-4)

Page 54: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

44

y desde la ley de Fick la densidad de flujo másico puede ser determinada según la relación [89]:

)(2

2 0,0,

supsup

OORROHOOH

OHOH

OHORROHJJ

cc

c

r

cDJ

(4-5)

Combinando la ecuaciones (4-4) y (4-5), e integrando para las condiciones de borde de un

espesor efectivo de la película de difusión )( eff , asociado a la concentración de iones

hidróxido en el seno de la solución, y la superficie del electrodo asociado a una concentración

de iones hidroxilo en la superficie metálica, el flujo de iones OH- desde la RRO es expresado

por:

OHOOH

OHOOH

OOHeff

OH

ORROH ccc

ccccc

DJ

3)(4

3)(4ln

3

4

0,0,

sup

0,0,

0,0,

2

2

2 (4-6)

Para la contribución de la REH al flujo de iones hidróxido, esto es visto que la relación de flujos

acorde a la reacción (2-10) es igual a:

OHwaterOHJJ

2 (4-7)

y a partir de la ley de Fick el flujo de iones hidroxilo desde la REH es calculado por:

OHwaterOH

OHOH

OHOH

OHwaterOHJJ

cc

c

r

cDJ

2

2 0,0,

supsup

(4-8)

Combinando las ecuaciones (4-7) y (4-8) bajo las mismas condiciones de borde utilizadas en el

desarrollo de la ecuación (4-6), el flujo de iones hidroxilo puede ser expresado por:

sup

OHOH

eff

OH

waterOHcc

DJ

(4-9)

Page 55: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

45

El espesor efectivo de la película de difusión puede ser calculado desde un promedio numérico

basado en el peso relativo entre las concentraciones y espesores individuales para cada

especie involucrada [36,37, 88; 90]:

� �− = .9 / / − / �−/ / (4-10)

2

22

2

,Ol

OO

Oi

cFD (4-11)

2

22

OOH

OOOHOHeff

cc

cc

(4-12)

Los valores de la difusividad para los iones hidroxilos y el oxígeno disuelto son tabulados en el

Anexo 2 a una temperatura media de 22 °C.

Para la contribución al transporte de materia desde un efecto convectivo debido al movimiento

del fluido dentro la celda de flujo anular en dirección vertical, la velocidad de flujo del fluido en

dirección del eje de coordenadas puede ser calculada por [91]:

k

k

k

k

r

r

k

k

r

r

uu

oo

z

1ln

1

1

1

ln1

ln

11

22

2

4

22

(4-13)

Entonces, combinando las ecuaciones (4-6) y (4-9) con la ecuación (4-3), el flujo total de iones

hidroxilo puede ser expresada por:

OHzwaterOHORROHOH

cuJJJ (4-14)

Page 56: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

46

Utilizando la ecuación (4-14), la densidad de corriente para los iones hidroxilos puede ser

calculada a partir de la ley de Faraday:

OHzwaterOHORROHOHOOH

cuJJnFiii22

(4-15)

La concentración de los iones hidroxilo puede ser sustituida por la concentración de protones

hidrógeno �+ utilizando el producto iónico para la disociación del agua supsup

HOHw ccK .

Finalmente, por combinación del producto iónico del agua con las ecuaciones (4-6) y (4-9), los

cambios del pueden ser determinados desde la solución numérica de la ecuación (4-15)

para las diferentes concentraciones de NaCl y velocidades de flujo de solución, utilizando los

parámetros cinéticos determinados para la RRO y la REH, y listadas en la Tabla 4.2.

La Figura 4.13 muestra los cambios del sobre el electrodo de trabajo como función del

potencial aplicado. En la figura los resultados exhiben una tendencia similar para las diferentes

concentraciones de NaCl estudiadas, con excepción para un rango de potenciales entre -350 y -

150 mV/EEH, donde los cambios en el con el potencial aplicado son más pronunciados a

elevadas concentraciones de NaCl.

A partir de un potencial de -150 mV/EEH, esta condición es descrita por un rápido incremento

en el desde 8 hasta 10 para llegar a valores aproximadamente constantes dentro un

amplio rango de potenciales y finalmente volver a incrementar a potenciales más negativos que

-750 mV/EEH. En el rango de potenciales entre -350 y -150 mV/EEH, los cambios en el

pueden ser explicados en términos de la velocidad de producción de iones hidroxilo desde la

RRO sobre la superficie del espécimen metálico, lo cual, como fue mencionado en secciones

previas (ver sección 4.2.1.5), su concentración (OH-) disminuye debido a una caída en la

concentración y difusividad de oxígeno disuelto causado por la elevada salinidad de la solución,

manteniéndose de esta forma un más cercano al del seno de la solución.

Page 57: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

47

-800 -600 -400 -2008

9

10

11 1 mol/L NaCl

2 mol/L NaCl

4 mol/L NaClp

Hs

up

E, mV/EEH

Figura 4.13. Dependencia del

con el potencial

aplicado para el acero al

carbono en soluciones de

NaCl sin amortiguador de pH.

Datos determinados

utilizando la Ec. (4-6) y (4-

15). pH de solución 6.7, =0.06 m/s, =1 mV/s.

La Figura 4.14 muestra cambios en el vs. �− para diferentes velocidades de flujo de

solución, acorde a la ecuación (4-15). En esta figura es observado que para una velocidad de

flujo fija, el varía gradualmente desde un valor alcalino de aproximadamente 10.2 hacia

valores de aproximadamente 8.5 donde las densidades de corriente son cercanas a cero.

Además, la influencia de la velocidad de flujo de la solución (dentro en rango de 0.06 a 0.29

m/s) sobre el está restringido a una variación entre 0 a 0.2 unidades de pH con cambios

más apreciables a valores intermedios de densidad de corriente. En referencia a las ecuaciones

(4-10) y (4-11), estos cambios son consecuencia de la disminución en el espesor de la película

de difusión con la velocidad de flujo de solución, lo cual a su vez está relacionado al incremento

en la densidad de corriente límite | , |. Para el caso de las experiencias en ausencia de oxígeno disuelto (soluciones desaireadas), se

observan cambios muy pequeños de con la velocidad de flujo, siendo los valores 9.03,

9.09 y 9.15 para concentraciones de 1, 2 y 4 mol/L NaCl, respectivamente. Un resumen de los

cambios en el con la velocidad de flujo de solución a diferentes concentraciones de NaCl

son presentadas en la Figura 4.15, donde los valores de pH fueron determinadas para una

condición del potencial de corrosión. Los resultados obtenidos son consistentes con los

desplazamientos en los potenciales de corrosión a través de potenciales más negativos y los

cambios significantes en la tasa de corrosión corri observados con el incremento en la

concentración de NaCl. Además los resultados claramente muestran la relevancia del

sobre los procesos de corrosión en soluciones sin amortiguador de pH, donde los valores del

Page 58: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

48

pueden variar fuertemente en comparación a los valores de pH en el seno de la solución

[27].

10.5 10.0 9.5 9.0 8.5

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0.06 m/s

0.12 m/s

0.17 m/s

0.23 m/s

0.29 m/s

i OH

-, A

/m2

pHsup

Figura 4.14. Densidad de

corriente catódica total

versus el , calculado

para diferentes velocidades

de flujo . Solución 4 mol/L

NaCl de pH 6.7. Datos

determinados utilizando la

Ec. (4-15).

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.309.5

9.6

9.7

9.8

9.9

10.0

1 mol/L NaCl

2 mol/L NaCl

4 mol/L NaCl

pH

su

p

u, m/s

Figura 4.15. Influencia de la

velocidad de flujo sobre el

determinados para el

acero al carbono en

soluciones aireadas de NaCl.

Valores calculados para

según la Ec. (4-15).

4.2.1.8. Análisis morfológico

Una observación macroscópica de la morfología de los especímenes, previo y posterior a los

ensayos electroquímicos, es mostrada en la Figura 4.16. Previo a los ensayos electroquímicos

la superficie metálica solamente muestra líneas del pulido las cuales se encuentran en sentido

transversal respecto a la dirección del flujo axial de solución a través de la sección anular

(Figura 4.16-A). Por otra parte, la inspección visual de los especímenes corroídos muestra una

Page 59: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

49

distribución particular en la formación de picaduras alineadas en dirección del flujo axial, lo cual

puede ser resultado de un arrastre uniforme y homogéneo de la solución agresiva emergente

desde dentro del picado. La presencia de estos sitios de picados alineados (Figura 4.16-B)

disminuye a medida que la velocidad de flujo dentro la sección anular incrementa, siendo la

distribución aleatoria de picados la característica principal de corrosión (Figura 4.16-C).

Estudios previos realizados utilizando la técnica del electrodo de disco rotatorio, no revelan esta

distribución lineal, presentando la formación de picaduras aisladas y distribuidas en forma

aleatoria [33].

Figura 4.16. Corrosión del acero al carbono bajo condiciones hidrodinámicas variables por

solución 1 mol/L NaCl. A) Superficie pulida. B) Bajas velocidades de flujo. C) Altas velocidades

de flujo. Las fechas indican la dirección de flujo de solución. Ampliación 10x

Utilizando la técnica de microscopía de barrido electrónico, se tomaron microfotografías sobre

superficies corroídas de acero al carbono inmerso en soluciones 1 mol/L NaCl a bajas y

elevadas velocidades de flujo de solución. La Figura 4.17 muestra una evidencia visual de los

productos de corrosión depositados, los cuales fueron caracterizados con forma de cola de un

cometa surgiendo desde el interior de los sitios de picado, confirmando el efecto convectivo

sobre el proceso de corrosión. Similares características fueron reportadas en investigaciones

previas [92, 93]. Los resultados también muestran la formación de numerosos sitios de picado

sobre la superficie del electrodo de trabajo a bajas velocidades de flujo (Figura 4.17-A), a

diferencia de los sitios de picado a elevadas velocidades de flujos donde una mayor cantidad

fue observada (Figura 4.17-B). En este sentido, es posible apreciar una densa película de

óxidos que fluyen desde el interior de los sitios de picado dejando marcadas líneas de óxidos en

la dirección del flujo (Figura 4.17-C). También es posible apreciar una propagación de la

corrosión alrededor de las líneas formadas durante el pulido mecánico del espécimen así como

la formación de una distribución de la corrosión en sentido lineal (Figura 4.17-D).

Page 60: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

50

(A) (B)

(C) (D)

Figura 4.17. Muestras de acero al carbono corroídas por una solución 1 mol/L NaCl a

velocidades bajas de 0.06 m/s (A), y velocidades altas de 0.29 m/s (B). Influencia de la dirección

de flujo sobre una picadura individual (C), e influencia de la rugosidad del acero (D). Las flechas

de color indican la dirección de flujo de la solución agresiva.

Un mecanismo simple para la explicación de la influencia del flujo de solución y la concentración

de cloruros sobre la formación de un sitio individual de picado puede ser visualizado en la

Figura 4.18. Durante el proceso de corrosión, la producción de iones hidroxilo desde las

reacciones de RRO y REH, generan en forma local un pH altamente alcalino sobre la superficie

del electrodo debido a la baja capacidad amortiguadora de la solución. Estos iones hidroxilos

generados son combinados con iones ferrosos productos de la oxidación del acero, para

finalmente formar un depósito de óxidos-hidróxidos sólidos sobre la superficie del electrodo (Fig.

4.18-A). El hidróxido ferroso Fe(OH)2 formado en primera instancia, puede posteriormente

Page 61: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

51

oxidarse a magnetita a potenciales muy cercanos a -220 mV/EEH debido al limitado contenido

de oxígeno cerca de la superficie del electrodo [74, 86].

Figura 4.18. Formación de Fe(OH)2(s) durante la etapa inicial de la corrosión del acero al

carbono (A). Influencia de la dirección del flujo sobre la formación del producto de corrosión (B).

Por otro lado, el elevado contenido de iones cloruros en solución tiende a promover un depósito

de los productos de corrosión menos estable físicamente, provocando de esta forma un

rompimiento de la película protectora de óxidos. Las teorías acerca del rompimiento de la

película pasiva por la presencia de iones cloruro y la acidificación en el fondo de los sitios de la

picadura son ampliamente debatidas [94-96, 9], y no serán descritas en extenso en el presente

trabajo. La Figura 4.18-B muestra una representación gráfica del efecto convectivo sobre la

formación de la película de óxidos alrededor de un picado individual. En esta figura se aprecia

como los iones dentro del picado, incluyendo cationes hidrógeno, aniones hidroxilos, iones

cloruros y ferrosos, son transferidos desde su interior hacia el seno de la solución debido al

efecto convectivo del fluido en la dirección axial. Además, el incremento en la transferencia de

cationes hidrógeno e iones cloruros fuera de la picadura, podría inducir la disolución de la

película de óxidos depositados debido a un incremento en la solubilidad del hidróxido ferroso

con la disminución en el pH de la solución, promoviéndose de esta forma nuevos sitios de

picadura [74].

Page 62: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

52

La Figura 4.19 muestra un espectro de los principales elementos presentes durante el proceso

de corrosión y propagación de los sitios de picadura. El espectro muestra principalmente la

presencia de iones hierro y cloruro, como evidencia de la formación de óxidos y/o hidróxidos de

hierro. Estos resultados confirman que las curvas de polarización anódicas solamente son

atribuidas a la oxidación de hierro, y no a otros elementos base del acero al carbono.

Figura 4.19. Análisis químico de los productos de corrosión en el interior de un picado individual.

La flecha de color rojo indica la dirección de flujo de solución.

4.2.1.9. Resumen de los resultados

Se estudió la cinética de corrosión de una banda cilíndrica de acero al carbono posicionada en

una celda de anular expuesta bajo condiciones variables de velocidad de flujo y concentración

de NaCl utilizado las técnicas de voltametría de barrido lineal y microscopía óptica. Un modelo

cinético de control mixto fue considerado para la reacción de reducción de oxígeno. La

aplicación de la teoría del potencial mixto y el modelo de superposición, revelaron un buen

ajuste entre valores experimentales y ajustados para la descripción del fenómeno de corrosión.

Page 63: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

53

Los parámetros cinéticos revelaron una significante dependencia con la concentración de NaCl

y la velocidad de flujo de solución tanto para las condiciones aireadas y desaireadas. Una

combinación de factores, principalmente propiedades que involucran el transporte de oxígeno,

fueron responsables de la corrosión del acero al carbono el cual es caracterizado en términos

de parámetros electroquímicos.

El análisis teórico del pH en la interface sólido-líquido de superficies cilíndricas de acero al

carbono expuestas bajo un flujo axial de solución agresiva, indican una diferencia significativa

entre el y el pH en el seno de la solución. Así se comprueba que los cambios en la

producción de iones hidroxilo generan apreciables cambios en el a diferentes

concentraciones de NaCl. Estos cambios fueron compatibles con la variabilidad observada en

los parámetros electroquímicos.

El análisis morfológico confirmó el efecto convectivo del movimiento del fluido sobre la

formación y propagación de la corrosión, principalmente a través de un desplazamiento de los

productos de corrosión en dirección del flujo de solución.

Page 64: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

54

4.2.2. Corrosión del acero al carbono por soluciones de LiBr

Debido a la escasa literatura acerca del comportamiento electroquímico del acero al carbono en

soluciones diluidas de bromuro de litio, el objetivo del presente sub-capítulo es investigar la

cinética de corrosión para el acero al carbono inmerso en soluciones aireadas de bromuro de

litio utilizando una combinación de técnicas de análisis modernas. La cuantificación de la tasa

de corrosión del acero al carbono bajo condiciones hidrodinámicas variables es de gran

importancia para la futura decisión de su aplicación en diferentes operaciones unitarias tales

como ciclos de refrigeración. Un enfoque particular está en conocer su mecanismo de corrosión,

así como los principales productos de corrosión depositados sobre su superficie debido a su

disolución electroquímica, y los atributos morfológicos de los sitios de picado.

4.2.2.1. Condiciones experimentales

Ensayos electroquímicos fueron realizados en un sistema de flujo continuo utilizando una celda

de geometría anular similar al empleado en los estudios realizados con NaCl y descrito en la

sección 3.1. Las dimensiones características de la celda de flujo electroquímica utilizada en el

presente estudio involucran un radio externo e interno iguales a � =0.5 cm, y � =0.3 cm

respectivamente. Todos los ensayos electroquímicos se realizaron utilizando un electrodo de

trabajo compuesto el cual contiene al espécimen cilíndrico de acero al carbono de superficie

expuesta igual a 0.94 cm2 ( =0.5 cm). El flujo de solución en la entrada de la celda anular

es considerado homogéneamente distribuido, de manera que perturbaciones de flujo dentro la

sección anular posee una simetría axial. Previo a los ensayos electroquímicos los especímenes

fueron tratados acorde al procedimiento descrito en la sección 3.1.2.

Las soluciones de ensayo fueron preparadas sin amortiguador de pH, a partir de LiBr grado

analítico y agua destilada manteniendo concentraciones de 0.5, 1 y 2 mol/L LiBr. El pH medido

en el seno de las soluciones fueron iguales a 6.69, 7.84 y 8.43 para concentraciones de 0.5, 1 y

2 mol/L LiBr, respectivamente.

Mediciones electroquímicas fueron realizadas utilizando un potenciostato Ivium Stat Potentiostat

(Ivium Technologies) controlado por Ivium Soft Electrochemistry Software. Las condiciones

hidrodinámicas de estudio variaron entre 0.25 y 1.26 m/s medidas en la sección anular,

incluyendo condiciones de solución estancada. Mediciones potenciodinámicas por voltametría

Page 65: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

55

de barrido lineal fueron realizadas en dirección positiva desde -900 mV/EEH hasta -150

mV/EEH a 1 mV/s (ver sección 4.1).

4.2.2.2. Mediciones por voltametría de barrido lineal

Mediciones potenciodinámicas instantáneas para superficies cilíndricas de acero al carbono

expuestas bajo un flujo axial de diferentes concentraciones de LiBr son mostradas en la Figura

4.20. Acorde a los resultados presentados en la sección 4.1, todas las mediciones fueron

realizadas a una velocidad de barrido de 1 mV/s. Es conocido que para la corrosión del acero al

carbono por soluciones acuosas y aireadas de pH aproximadamente neutral, la oxidación de

hierro es contrabalanceada por la RRO y la reacción de reducción de agua [36, 5, 28]. De las

curvas de polarización presentadas en la Figura 4.20, el incremento en la velocidad de flujo de

solución muestra un desplazamiento de las mesetas catódicas en dirección anódica respecto a

los resultados obtenidos bajo condiciones estancadas de solución. Estos cambios en las curvas

de polarización son resultado de variaciones en la concentración de oxígeno disuelto cerca de

la superficie metálica, donde la ausencia de un efecto convectivo limita el transporte de oxígeno

disuelto hacia el electrodo de trabajo. Al mismo tiempo, los incrementos en la densidad de

corriente límite para la RRO con la velocidad de flujo de solución, claramente indican un

incremento en la transferencia de oxígeno disuelto desde el seno de la solución hacia la

superficie metálica, los cuales son consecuencia de la disminución en el espesor de la película

de difusión promoviendo de esta forma una corta distancia para que las moléculas puedan

difundir hasta la superficie del electrodo de trabajo [21]. Por otro parte, el desplazamiento de la

meseta catódica atribuida a la REH hacia potenciales más positivos, indica un incremento en su

velocidad de reacción con la velocidad de flujo de solución. Los cambios en la concentración de

LiBr revelaron comportamientos similares para la RRO y la REH con las variaciones en la

velocidad de flujo de solución.

Para el sub-proceso anódico, la influencia de la velocidad de flujo no muestra cambios

apreciables en la forma de las curvas de polarización, observándose mínimas variaciones para

soluciones 0.5 mol/L LiBr. Adicionalmente, ligeros incrementos en la densidad de corriente

anódica fueron observadas con el incremento en la concentración de LiBr en la solución.

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56

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40 0.0 m/s

0.25 m/s

0.50 m/s

0.75 m/s

1.0 m/s

1.26 m/s

i,

A/m

2

E, mV/EEH

A1

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0.0 m/s

0.25 m/s

0.50 m/s

0.75 m/s

1.0 m/s

1.26 m/s

log

i,

A/m

2

E, mV/EEH

B1

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40 0.0 m/s

0.25 m/s

0.50 m/s

0.75 m/s

1.0 m/s

1.26 m/s

i,

A/m

2

E, mV/EEH

A2

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0.0 m/s

0.25 m/s

0.50 m/s

0.75 m/s

1.0 m/s

1.26 m/s

log

i,

A/m

2

E, mV/EEH

B2

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40 0.0 m/s

0.25 m/s

0.50 m/s

0.75 m/s

1.0 m/s

1.26 m/s

i,

A/m

2

E, mV/EEH

A3

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0.0 m/s

0.25 m/s

0.50 m/s

0.75 m/s

1.0 m/s

1.26 m/s

log

i,

A/m

2

E, mV/EEH

B3

Figura 4.20. Curvas de polarización (A), y diagramas de Tafel (B) para el acero al carbono bajo

diferentes condiciones hidrodinámicas de soluciones 0.5 mol/L LiBr (1), 1 mol/L LiBr (2) y 2

mol/L LiBr (3). =1 mV/s.

Para las experiencias realizadas bajo condiciones de estancamiento, las gráficas de Tafel

revelaron la formación de dos pendientes de Tafel dentro la región anódica para todas las

concentraciones estudiadas, siendo más pronunciado a concentraciones de 2 mol/L LiBr (Figura

Page 67: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

57

4.20-B3). Esta discontinuidad en la tendencia lineal de las mesetas anódicas es apreciada

desde potenciales muy cercanos a -400 mV/EEH, los cuales pueden ser atribuidos a una pre-

oxidación del acero al carbono con la formación de una delgada película de hidróxidos ferrosos

Fe(OH)2 [74, 73, 97, 98]. Esta película compuesta por productos de corrosión, podría actuar

como una protección parcial de la superficie metálica generando de esta forma una ligera

disminución en la densidad de corriente anódica. En el caso de la densidad de corriente

catódica, los resultados muestran la formación de un incremento exponencial en la densidad de

corriente con el potencial aplicado, o una tendencia lineal en las gráficas de Tafel. Este

resultado, junto con la ausencia de una meseta plana atribuida a la difusión de oxígeno disuelto

hacia la superficie metálica, indica que la reducción de moléculas de agua es la principal

reacción que contribuye al proceso de corrosión.

A diferencia de estos resultados en soluciones de LiBr, los estudios realizados para la corrosión

del acero bajo la influencia de la concentración de NaCl, revelaron diferentes comportamientos

en ambas mesetas catódicas y anódicas bajo condiciones de estancamiento de la solución

agresiva (ver sección 4.2.1.4).

4.2.2.3. Parámetros electroquímicos

Como es posible observar en la Figura 4.20, las mesetas catódicas y anódicas de las curvas de

polarización experimentales no muestran una región de Tafel muy bien definida, por lo que el

uso de la técnica de extrapolación gráfica podría enlazar a la lectura y determinación de valores

erróneos para las tasas de corrosión. Es por tal razón que la determinación de parámetros

electroquímicos se realizará a partir de la metodología del modelo de superposición y la teoría

de potencial mixto, descritas en la sección 2.5.3, aplicando un ajuste no-lineal de datos [34].

Parámetros cinéticos y de corrosión para el acero al carbono determinados a diferentes

concentraciones de LiBr y velocidades de flujo de solución, son presentadas en la Tabla 4.3. A

partir de los datos cinéticos se calcularon densidades de corrientes totales y parciales para las

reacciones involucradas en el proceso de corrosión, las cuales fueron comparadas con datos

obtenidos experimentalmente. La representación gráfica de estas curvas es presentada en las

Figuras 4.21 y 4.22. Junto a las curvas de polarización, la Figura 4.21 muestra la metodología

para la determinación de potenciales y densidades de corrosión. En todos los casos, las

densidades de corriente presentaron una buena correlación entre los valores experimentales y

Page 68: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

58

los predichos desde los modelos cinéticos propuestos, lo que indica la compatibilidad y

aplicabilidad de la teoría del potencial mixto.

Tabla 4.3. Parámetros cinéticos y de corrosión para el acero al carbono a diferentes condiciones

hidrodinámicas de solución de LiBr

Fe H2 O2

LiBr

mol/L

ū,

m/s

bFe,

mV/dec

104i0,Fe,

A/m2

bH2,

mV/dec

i0,H2,

A/m2

bO2,

mV/dec

107i0,Fe,

A/m2

|ilO2|

A/m2

Ecorr

mV/EEH

icorr

A/m2 corr

Ol

i

i2,

0.5

0.0 156 368.6 -187 -0.019 ---- ---- ---- -543 0.11 ----

0.25 69 0.044 -164 -0.018 -91 (-9.87x10-13) 8.36 -255 0.76 11.02

0.50 65 0.073 -176 -0.032 -102 (-5.51x10-11) 10.43 -262 1.99 5.24

0.75 93 3.980 -145 -0.010 -127 -0.092 13.97 -259 2.73 5.12

1.00 95 5.450 -164 -0.024 -134 -0.275 18.23 -258 3.04 6.00

1.26 88 3.590 -163 -0.027 -154 -4.063 22.39 -262 3.90 5.74

Av. 82 2.630 -163 -0.022 -122 -0.886 14.68 -259 2.48 6.62

0.0 105 1886.1 -154 -0.032 ---- ---- ---- -598 0.22 ----

1

0.25 62 0.005 -182 -0.117 -105 -0.004 6.16 -226 0.89 6.88

0.50 82 1.390 -154 -0.068 -129 -0.248 8.86 -273 2.12 4.17

0.75 75 0.793 -198 -0.252 -141 -2.040 10.90 -272 3.09 3.53

1.00 77 1.210 -190 -0.244 -147 -4.220 12.87 -272 3.42 3.76

1.26 83 2.120 -172 -0.158 -134 -1.120 16.35 -262 3.72 4.40

Av. 76 1.10 -179 -0.168 -131 -1.530 11.03 -261 2.65 4.55

0.0 366 3823.1 -148 -0.059 ---- ---- ---- -622 0.38 ----

2

0.25 79 0.431 -137 -0.074 -155 -7.360 4.83 -261 1.26 3.84

0.50 81 1.450 -134 -0.071 -176 -69.61 6.73 -276 2.32 2.91

0.75 87 4.550 -120 -0.067 -166 -40.97 8.70 -281 3.18 2.74

1.00 74 0.636 -122 -0.086 -194 -364.9 10.96 -265 3.36 3.26

1.26 93 4.700 -120 -0.085 -192 -436.1 12.35 -251 3.78 3.26

Av. 83 2.350 -127 -0.077 -176 -183.8 8.72 -267 2.78 3.20

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59

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40 iexp

imod

iO2

iFe

iH2

icorri,

A

/m2

E, mV/EEH

Ecorr

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

iexp

ifit

iO2

iFe

iH2O

icorr

log

i,

A/m

2

E, mV/EEH

Ecorr

B

Figura 4.21. Síntesis de las curvas de polarización para el acero al carbono inmerso en solución

de 1 mol/L LiBr. =0.29 m/s y =1 mV/s. Curva de polarización (A), y diagrama de Tafel (B).

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40 0.0 m/s

0.25 m/s

0.50 m/s

0.75 m/s

1.0 m/s

1.26 m/s

i,

A/m

2

E, mV/EEH

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40 0.0 m/s

0.25 m/s

0.50 m/s

0.75 m/s

1.0 m/s

1.26 m/s

i,

A/m

2

E, mV/EEH

B

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40 0.0 m/s

0.25 m/s

0.50 m/s

0.75 m/s

1.0 m/s

1.26 m/s

i,

A/m

2

E, mV/EEH

C

Figura 4.22.Curvas de polarización experimentales (línea punteada) y modeladas (línea sólida)

para el acero al carbono en soluciones 0.5 mol/L LiBr (A), 1 mol/L LiBr (B), y 2 mol/L LiBr (C), a

diferentes velocidades de flujo.

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60

De los resultados presentados en la Figura 4.22 para condiciones de solución estancada y a

bajas concentraciones de LiBr (0.5 mol/L LiBr), se observa que la curva anódica experimental

fue desplazada hacia valores más positivos respecto a la curva anódica ajustada, lo cual genera

una pequeña meseta plana anódica entre potenciales -310 y -250 mV/EEH seguido por un

acelerado incremento en la densidad de corriente para potenciales más positivos. Por otro lado,

para concentraciones superiores a 1 mol/L LiBr, un comportamiento inverso fue observado en

las curvas de polarización anódicas, donde la densidad de corriente experimental reveló un

prematuro incremento respecto a las curvas de polarización ajustadas. Estos comportamientos

pueden ser explicados en términos del potencial de picadura, el cual está definido como el

potencial límite bajo en cual el picado no existe [5, 9, 1]. Entonces, es posible indicar que a

bajas concentraciones de LiBr, la película de óxidos-hidróxidos depositada sobre la superficie

metálica presenta un rango de estabilidad muy limitado, a diferencia de los resultados obtenidos

a elevadas concentraciones, donde puede confirmarse la acelerada degradación de la película

pasiva [42, 99].

Otro aspecto de relevancia está relacionado a las ligeras desviaciones en el ajuste de datos

observadas en la región de evolución de hidrógeno (E<-700 mV/EEH), donde los datos

experimentales revelan una desviación desde el comportamiento Tafel, principalmente a bajas

velocidades de flujo, incluyendo condiciones estancadas. El incremento en la desviación es

explicada por la influencia de la velocidad de flujo sobre la remoción de pequeñas

microburbujas de hidrógeno generadas a partir de la reacción de reducción del agua, las cuales

están adheridas fuertemente a la superficie metálica [100]. Esto puede ser verificado con los

resultados a elevadas velocidades de flujo de solución, donde el ajuste de las curvas

experimentales con el modelo cinético propuesto posee una buena correlación. Entonces, la

remoción de las microburbujas de hidrógeno adheridas sobre la superficie del electrodo de

trabajo, debido al incremento en el esfuerzo de corte con la velocidad de flujo, promovería a

obtener una superficie activa más uniforme, enlazando a obtener una condición de Tafel [5,100].

La Figura 4.23 muestra una familia de curvas de polarización parciales para la oxidación de

hierro, reducción de oxígeno y evolución de hidrógeno, determinadas para una solución 1 mol/L

LiBr a diferentes velocidades de flujo. En la figura, las mesetas anódicas fueron determinadas

considerando un mecanismo de control por transferencia de carga acorde a la ecuación (2-7), y

las mesetas catódicas fueron determinadas considerando un mecanismo de control mixto por

transferencia de masa y carga para la RRO acorde a la ecuaciones (2-18), y un mecanismo de

control por transferencia de carga para la REH según la ecuación (2-13).

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61

-800 -600 -400 -2000

10

20

30

40

|iH2

|

|iO2

|

0,00 m/s

0,25 m/s

0,50 m/s

0,75 m/s

1,00 m/s

1,26 m/s

i,

A/m

2

E, mV/EEH

iFe

Figura 4.23. Curvas de

polarización parciales para

las reacciones anódicas y

catódicas sobre superficies

de acero al carbono inmerso

en solución 1 mol/L LiBr a

diferentes velocidades de

flujo.

De los resultados mostrados en la Figura 4.23, se observa que a excepción de las curvas de

polarización obtenidas bajo condiciones de estancamiento y a bajas velocidades de flujo

(=0.25 m/s) las mesetas de oxidación de hierro no muestran una elevada dependencia con la

velocidad de flujo de solución, mientras que las mesetas catódicas de reducción de oxígeno y

evolución de hidrógeno presentaron un incremento continuo en valores de densidades de

corriente con la velocidad de flujo. Las curvas de polarización parciales para la reacción del

oxígeno muestran la formación de una ondulación a potenciales más positivos que -550

mV/EEH, el cual representa a la región de control mixto [36, 5, 21, 37], y a medida que los

potenciales son más negativos, las curvas de polarización alcanzan a establecer una meseta

plana donde la reacción es controlada por un mecanismo de transferencia de masa. La

densidad de corriente para estas mesetas planas fue incrementando con la velocidad de flujo.

Acorde a la teoría del potencial mixto, la intersección de la curva anódica y catódica indica la

densidad de corriente de corrosión y el potencial de corrosión. En el caso de las experiencias

bajo condiciones de estancamiento, los parámetros de corrosión son determinados desde la

intersección entre las curvas de polarización para la oxidación de hierro y la REH. Por otro lado,

los resultados indican que la densidad de corriente para la REH asociada a los potenciales de

corrosión, es muy pequeña en comparación a la densidad de corriente para la RRO, por tanto

los parámetros de corrosión fácilmente pueden ser determinados desde la intersección entre las

curvas parciales de oxidación de hierro y reducción de oxígeno. Comportamientos similares se

Page 72: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

62

observaron para la corrosión del acero al carbono a concentraciones de 0.5 y 2 mol/L LiBr (no

se muestra en el presente trabajo).

A pesar de las ligeras desviaciones observadas entre los datos experimentales y ajustados,

principalmente bajo condiciones de solución estancada, se confirma que la velocidad de flujo

de solución no posee gran influencia sobre las pendientes de Tafel para las reacciones de

reducción de oxígeno, evolución de hidrógeno y oxidación de hierro, las cuales presentan

valores aproximadamente constantes, a diferencia de la influencia de la concentración de LiBr,

donde diferentes valores y tendencias en los parámetros cinéticos fueron observadas (ver Tabla

4.3). La pendiente de Tafel y la densidad de corriente de intercambio , no muestran

cambios significativos con la concentración de LiBr y velocidad de flujo, los cuales revelaron

valores promedios en el rango de 80 mV/dec y 2x10-4 A/m2 respectivamente. Las pendientes de

Tafel presentaron valores promedios de -126, -134 y -177 mV/dec para concentraciones de

0.5, 1 y 2 mol/L LiBr, respectivamente. Acorde al análisis de los cambios en las magnitudes de

las pendientes de Tafel en términos de la superficie cubierta [50, 77, 79] (ver sección 4.2.1.5), y

junto al bajo contenido de oxígeno disuelto en solución causado por el incremento en la

concentración de sales, en el presente caso los incrementos en las pendientes de Tafel | | con la concentración de LiBr indicaría una baja superficie cubierta del electrodo por productos

de corrosión o especies adsorbidas (Li+, Br-) [80, 81]. Estos resultados están acordes con las

discusiones previamente realizadas, donde un incremento en la concentración de LiBr

promueve una acelerada degradación de la película de óxidos-hidróxidos depositados sobre la

superficie del electrodo de trabajo. Por otro parte, los resultados de las pendientes de Tafel �

y ,� no muestran una tendencia clara en sus valores, los cuales pueden ser atribuidos a un

efecto combinado de factores tales como la formación y adherencia de microburbujas sobre la

superficie del electrodo, o agresividad de la solución de electrolitos.

4.2.2.4. Parámetros de corrosión

La Figura 4.24 muestra la variación en las tasas de corrosión con la velocidad de flujo de

solución para diferentes concentraciones de LiBr. En la figura se puede apreciar que el

incremento en la velocidad de flujo de solución promueve un continuo incremento en las tasas

de corrosión hasta alcanzar valores aproximadamente constantes para una velocidad de flujo

Page 73: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

63

mayor a 1 m/s, donde a partir de esta velocidad de solución, las tasas de corrosión muestran

ligeros incrementos.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20

1

2

3

4 0.5 mol/L LiBr

1.0 mol/L LiBr

2.0 mol/L LiBr

i co

rr, A

/m2

u, m/s

Figura 4.24. Variación de las

tasas de corrosión con la

velocidad de flujo de

soluciones a diferentes

concentraciones de LiBr.

En general, el efecto de las condiciones hidrodinámicas sobre el grado de degradación del

acero al carbono en soluciones de LiBr, muestra un incremento en las tasas de corrosión de

hasta 30 veces mayor respecto a las condiciones de solución estancadas. La dependencia de la

tasa de corrosión con las condiciones hidrodinámicas, dada por la ecuación (4-2) (ver sección

4.2.1.6), muestra valores del parámetro de ajuste p iguales a 0.983, 0.898 y 0.686 para

soluciones de 0.5, 1 y 2 mol/L LiBr, respectivamente. Estos resultados muestran que para todas

las concentraciones de LiBr estudiadas, el proceso de corrosión es controlado por un

mecanismo mixto por transferencia de carga y masa. Futuramente, debido a la elevada

variabilidad en el parámetro de ajuste p, el grado de incidencia del oxígeno disuelto sobre la

corrosión del acero en soluciones de LiBr muestra que la relación | , |/ también varía

fuertemente con la velocidad de flujo de solución (ver Tabla 4.3). Valores muy elevados del

grado de incidencia fueron observadas para velocidades de flujo menores a 0.5 m/s, los cuales

van disminuyendo progresivamente con el incremento en la velocidad de flujo a través de la

sección anular. Estos resultados muestran la baja contribución de la difusión del oxígeno

disuelto a bajas velocidades de flujo, los cuales están acordes con las tendencias en las curvas

de polarización obtenidas bajo condiciones de solución estancada, donde el oxígeno disuelto no

indica contribución alguna al proceso de corrosión.

Page 74: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

64

La influencia de la concentración de LiBr sobre las tasas de corrosión exhibe ligeros

incrementos en sus valores, alcanzando un estado invariable a elevadas velocidades de flujo de

solución. Respecto a la variabilidad en los potenciales de corrosión (ver Tabla 4.3), estos

valores no revelaron tendencias claras debido a la influencia de la velocidad de flujo, los cuales

pueden estar relacionadas con la estabilidad de la película de productos de corrosión

depositados sobre la superficie del electrodo y la elevada agresividad de los iones bromuro.

Adicionalmente, los cambios despreciables en los valores promedio de potenciales de corrosión

a diferentes concentraciones de LiBr, indican bajas variaciones en el pH-superficial del

electrodo de trabajo, resultados que estarían acordes con los bajos cambios en las tasas.

4.2.2.5. Transferencia de masa de oxígeno

La Figura 4.25 muestra la variación en la densidad de corriente límite con la velocidad de flujo

de solución a diferentes concentraciones de LiBr. En la figura se observa claramente un

incremento en la densidad de corriente límite con la velocidad de flujo, los cuales se deben a

variaciones en el espesor de la película de difusión.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.40

5

10

15

20

0.5 mol/L LiBr

1.0 mol/L LiBr

2.0 mol/L LiBr

|il,

O2|,

A/m

2

u, m/s

Figura 4.25. Cambios en la

densidad de corriente límite

con la velocidad de flujo de

solución para diferentes

concentraciones de LiBr

Diversos modelos matemáticos, incluyendo la ecuación desarrollada por Léveque para una

sección de flujo anular [101], fueron propuestos para la descripción de la transferencia de

materia bajo diversas condiciones hidrodinámicas y configuraciones del puerto de ingreso a

través del canal anular de flujo [83, 102, 103, 90, 101]. Para el presente estudio, el modelo

Page 75: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

65

obtenido por Ghosh y Upadhyay [83] para la descripción de la transferencia de masa a través

de la pared interna de una sección anular expuesta a un continuo flujo de solución, fue la

relación que entregó un mejor ajuste a los valores experimentales de la densidad de corriente

límite. Los valores de la densidad de corriente límite fueron determinadas utilizando

correlaciones expresadas en términos de números adimensionales:

ℎ = ∗ � � / (4-16)

ℎ = | ,� |� � (4-17)

En el Anexo 2 se presenta un resumen de los parámetros físicos y los números de Schmidt ( )

para el oxígeno y números de Reynolds ( ) para las diferentes concentraciones de LiBr

estudiadas.

Combinando las ecuaciones (4-16) y (4-17), la densidad de corriente límite puede ser

determinada por:

| , | = ∗ � � � � (4-18)

A partir de la regresión de datos experimentales utilizando la ecuación (4-18), los valores del

parámetro de ajuste fueron iguales a 0.18, 0.165 y 0.155 para concentraciones de 0.5, 1 y 2

mol/L LiBr, respectivamente.

4.2.2.6. Análisis morfológico

La Figura 4.26 muestra macrofotografías para el acero al carbono posterior a los ensayos

electroquímicos bajo condiciones estancadas y dinámicas de la solución. La inspección

morfológica claramente muestra una baja degradación del acero cuando el efecto del flujo no

está presente, mientras que los especímenes expuestos a la influencia del flujo de solución

muestran una superficie altamente corroída.

Page 76: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

66

Figura 4.26. Superficies

corroídas de acero al

carbono por soluciones de

LiBr bajo condiciones

estancadas (A), y una

velocidad de flujo de 0.5 m/s

(B). Concentración igual a 1

mol/L LiBr. La flecha de color

rojo indica la dirección del

flujo de solución.

De la Figura 4.26, se observa claramente que la influencia del flujo promueve la formación de

dos diferentes productos de corrosión presentadas por una película interna de óxidos color

negro y una película externa de óxidos color amarillo. Un análisis de los productos de corrosión

por Espectroscopia Raman indica que los productos de corrosión están formados por

lepidocrocita (γ-FeOOH) y magnetita (Fe3O4). A partir del espectro Raman mostrado en la

Figura 4.27, la estructura formada por lepidocrocita fue caracterizada por los valores

representativos a 251 1/cm y 1312 1/cm, y la estructura de la magnetita fue representada a un

valor de 670 1/cm. Adicionalmente valores representativos de menor intensidad fueron

observados a 389 1/cm, los cuales indican la presencia de pequeños cantidades de goetita (α-

FeO(OH)) [104-107]. Estos óxidos fueron observados para todas las experiencias realizadas a

diferentes concentraciones de LiBr.

Por tanto, acorde a los resultados del análisis Raman y los potenciales de corrosión, es posible

afirmar la presencia de una acelerada corrosión durante los primeros instantes de inmersión

asociada a la formación de una primera película de óxidos compuesta principalmente por γ-

lepidocrocita, la cual permanece estable hasta potenciales de -280 mV/EEH [86]. Esta película

de óxidos formada por γ-lepidocrocita actuaría como una barrera a la difusión de oxígeno

disuelto desde el seno de la solución hasta la superficie del electrodo de trabajo, generando una

concentración de oxígeno lo suficientemente baja como para formar una nueva fase compuesta

por magnetita a potenciales de equilibrio más negativos que -300 mV/EEH [108, 7, 74].

(A) (B)

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67

0 400 800 1200 1600 2000

389

670251

1312

Inte

nsi

ty (

AU

)

wavenumber (1/cm)

A

B

Figura 4.27. Espectro de

análisis Raman para los

productos de corrosión del

acero al carbono en 1 mol/L

LiBr. Análisis cercano a la

capa de óxidos de color

negro (A), y a la capa de

óxidos de color amarillo (B). = 1 m/s.

4.2.2.7. Resumen de los resultados

Bajo las condiciones de estudio experimentales se resume que:

1) A excepción de los ensayos electroquímicos bajo condiciones de solución estancada,

todas las experiencias bajo condiciones hidrodinámicas variables revelaron una buena

aplicabilidad del modelo de superposición y la teoría del potencial mixto para el estudio

cinético de la corrosión sobre superficies extendidas de geometría cilíndrica expuestas

bajo un flujo axial de soluciones de LiBr.

2) Diversos comportamientos en las tendencias de los parámetros electroquímicos con la

velocidad de flujo y concentración de LiBr fueron observadas para las reacciones

anódicas y catódicas. En este sentido, la reacción catódica de reducción de oxígeno fue

la más afectada.

3) Tendencias similares para las tasas de corrosión con la velocidad de flujo de solución

fueron obtenidas para todas las concentraciones de LiBr estudiadas. La variabilidad en

el índice de influencia para la transferencia de masa, corrobora la dependencia de la

tasa de corrosión con la concentración de oxígeno disuelto.

4) El análisis morfológico confirma la influencia de las condiciones hidrodinámicas sobre el

proceso de corrosión, el cual está representado por la formación de diferentes productos

de corrosión depositados en dirección del flujo.

Page 78: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

68

4.3. Electrodo de disco rotatorio

En este capítulo se realizará un estudio de las condiciones cinéticas para la corrosión del acero

al carbono bajo condiciones de concentración de sales y condiciones hidrodinámica variables,

utilizando un sistema electroquímico clásico con electrodo de disco rotatorio. Los estudios

permitirán hacer una comparación de resultados obtenidos en una celda de flujo anular. Debido

a la novedad de la celda de flujo anular, el objetivo fundamental es realizar una caracterización

global del proceso de corrosión del acero al carbono en soluciones de LiBr y NaCl, para así

demostrar la validez de los datos obtenidos con la celda de flujo anular.

4.3.1. Condiciones experimentales

Soluciones individuales de NaCl y LiBr fueron preparadas manteniendo concentraciones de 0.5,

1 y 2 mol/L utilizando reactivos grado analítico y agua destilada. Previo a los ensayos

electroquímicos, las soluciones fueron burbujeadas con aire de alta pureza durante 15 min con

el objetivo de mantener una elevada concentración de oxígeno disuelto en solución. Todos los

experimentos fueron realizados a temperatura ambiente de 22 °C y soluciones sin amortiguador

de pH. Las propiedades físicas fueron determinadas a partir de correlaciones matemáticas

dadas en literatura [57-60]. Valores de densidad, viscosidad dinámica, difusividad de oxígeno, y

concentración de oxígeno disuelto son tabulados en el Anexo 2 para cada solución de estudio.

Adicionalmente se realizaron experiencias bajo condiciones desaireadas con el objetivo de

verificar la influencia del oxígeno sobre la corrosión metálica utilizando un electrodo de disco

rotatorio. Para estas experiencias, el oxígeno disuelto fue removido desde la solución mediante

el burbujeo de nitrógeno gaseoso durante 20 min, el cual posteriormente se mantuvo

burbujeando durante las pruebas potenciodinámicas.

Los electrodos de trabajo fueron construidos según el procedimiento descrito en la sección 3.2.

Ensayos de voltametría fueron realizando en dirección anódica dentro una ventana

electroquímica de -950 mV/EEH y -50 mV/EEH a una velocidad de barrido igual a 1 mV/s. Se

estudió un amplio rango de velocidades de rotación del electrodo de trabajo desde 1500 hasta

6863 rpm. La dirección de barrido de potenciales en dirección catódica, asegura que las

mediciones puedan ser llevadas sobre una superficie libre de óxidos en la superficie del

electrodo de trabajo, controlándose además la excesiva generación de microburbujas de

hidrógeno. Posterior a los ensayos potenciodinámicos, los electrodos fueron removidos de la

Page 79: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

69

celda electroquímica para su análisis morfológico utilizando microscopía electrónica de barrido

(SEM) tipo LEO 1420 VP, y un microscopio óptico metalúrgico tipo Olympus BX 41M.

4.3.2. Mediciones por voltametría de barrido lineal

Despreciando la ocurrencia de otras reacciones parciales que las reacciones de oxidación de

hierro, evolución de hidrógeno y reducción de oxígeno, se postula que una curva de

polarización obtenida bajo condiciones aireadas de solución es igual a la superposición de una

curva de polarización bajo condiciones desaireadas y la curva parcial de reducción de oxígeno

disuelto. Sobre esta consideración, la Figura 4.28 muestra curvas de polarización para el acero

al carbono inmerso es soluciones aireadas y desaireadas de NaCl y LiBr, donde las curvas de

polarización exhiben una forma similar y simétrica entre ellas. Acorde a la teoría del potencial

mixto, estas curvas pueden ser sintetizadas como una superposición de las reacciones

parciales que ocurren durante el proceso de corrosión [36, 109, 110].

-1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200-20

-15

-10

-5

0

i O2, A

/m2

E, mV/EEH

i,

(A/m

2)

E, (mV/EEH)

Figura 4.28. Curvas de

polarización para el acero al

carbono en soluciones aireadas

(línea continua) y desaireadas

(línea punteada) de 1 mol/L NaCl

(círculos), y 1 mol/L LiBr

(cuadrados). =1 mV/s, =2500

rpm. Figura inserta: Diferencia

entre datos experimentales

obtenidos en soluciones aireadas

y desaireadas.

La ausencia de una meseta plana en los dominios anódicos y catódicos de las curvas de

polarización para soluciones desaireadas, indican que las reacciones electroquímicas están

bajo una cinética controlada por un mecanismo de transferencia de carga, los cuales pueden

ser identificadas desde las pendientes de Tafel. Esta condición es atribuida a la suficiente

Page 80: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

70

cantidad de moléculas de agua disponibles sobre la superficie del acero al carbono para su

reacción de reducción [111].

Para soluciones aireadas, la presencia de una distintiva meseta plana en el dominio catódico de

las curvas de polarización claramente indica la RRO, el cual es compatible con la expresión

cinética dada por la ecuación (2-18) en el rango de potenciales entre -700 y -400 mV/EEH [5,

33, 36, 37].

Por otra parte, el desplazamiento de los potenciales de corrosión a través de valores más

positivos observados para soluciones aireadas, en comparación a las soluciones desaireadas,

claramente confirma que la curva de polarización es igual a una superposición entre una curva

parcial de reducción de oxígeno y una curva de polarización bajo condiciones desaireadas.

La diferencia del dominio catódico realizado entre las curvas de polarización en condiciones

aireadas y desaireadas son mostradas en la parte inserta de la Figura 4.28. Acorde a estos

resultados, es posible observar que la densidad de corriente para la solución de NaCl se

desplaza hacia valores más negativos de potencial, en comparación a la densidad de corriente

para la solución de LiBr, sugiriendo de esta forma una velocidad de reacción diferentes para

cada caso, o una interacción sinérgica entre las curvas de evolución de hidrógeno y reducción

de oxígeno. Esta interacción puede ser originada desde los cambios locales en el pH de la

superficie metálica, los cuales toman lugar según las reacciones (2-10) y (2-12). El incremento

en el pH-superficial podría generar una disminución en los potenciales de equilibrio para las

ecuaciones (2-14) y (2-19), lo que subsecuentemente alteraría la velocidad de reacción a través

de cambios inducidos en los valores de sobrepotenciales en las ecuaciones (2-13) y (2-15).

Para el caso de la REH, considerando que la densidad de corriente de intercambio permanece

inalterada, un incremento en la densidad de corriente sería esperado como resultado del

incremento en el pH. Considerando la gran diferencia entre las curvas de polarización en

presencia y ausencia de oxígeno disuelto, entonces sería de esperar un significante incremento

en el pH-superficial para las soluciones aireadas. Esta conclusión es totalmente compatible con

la desviación mostrada en el dominio catódico de las diferentes curvas de polarización (Figura

4.28).

4.3.3. Influencia de la velocidad de rotación

Figuras 4.29 y 4.30 presentan típicas curvas de polarización para el acero al carbono inmerso

en soluciones aireadas de NaCl y LiBr, obtenidas a diferentes velocidades de rotación. La

Page 81: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

71

principal característica en todo el grupo de experimentos a una concentración de sal definida, es

la formación de la meseta plana correspondiente a la reacción de reducción del oxígeno, el cual

muestra una tendencia al incremento en su magnitud con el incremento en la velocidad de

rotación. Este efecto es directamente relacionado a la disminución en el espesor de la película

de difusión con la velocidad de rotación [9, 76, 79, 112]. Inicialmente, la meseta plana persistiría

incrementando el potencial aplicado mientras la concentración de oxígeno alcanza un valor nulo

en la superficie del metal. El decrecimiento gradual de la meseta plana que ocurre a potenciales

mayores a -400 mV/EEH, es debido a un cambio en la cinética de reducción del oxígeno desde

un mecanismo de transferencia de masa a un mecanismo de control mixto [79, 5], similar a los

resultados observados en ensayos realizados utilizando la celda de flujo anular. En contraste

con el dominio catódico, la variación en el dominio anódico muestra una baja sensibilidad a los

cambios en la velocidad de rotación.

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-30

-20

-10

0

10

20

30

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

i,

A/m

2

E, mV/EEH

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-30

-20

-10

0

10

20

30

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

B

i,

A/m

2

E, mV/EEH

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-30

-20

-10

0

10

20

30

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

C

i (

A m

-2)

E, mV/EEH

Figura 4.29. Influencia de la velocidad de rotación sobre curvas de polarización para el acero al

carbono. Soluciones de 0.5 mol/L NaCl (A), 1 mol/L NaCl (B), y 2 mol/L NaCl(C). =1 mV/s.

Page 82: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

72

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-30

-20

-10

0

10

20

30

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

i,

A/m

2

E, mV/EEH

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-30

-20

-10

0

10

20

30

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

B

i,

A/m

2

E, mV/EEH

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-30

-20

-10

0

10

20

30

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

C

i,

A/m

2

E, mV/EEH

Figura 4.30. Influencia de la velocidad de rotación sobre curvas de polarización para el acero al

carbono en soluciones de 0.5 mol/L LiBr(A), 1 mol/L LiBr (B), y 2 mol/L LiBr(C). =1 mV/s.

Evidencia de la formación de picaduras sobre el espécimen fue confirmado en todos los

experimentos. Algunas picaduras individuales revelaron rastros de los productos de corrosión

desde el interior del picado los cuales fueron expuestos al flujo advectivo generado desde la

rotación del electrodo de trabajo. Acorde a esta evidencia, el efecto moderado de la velocidad

de flujo sobre el dominio anódico es atribuido a un carácter aleatorio en la formación de

picaduras individuales, que a su vez serian afectados por un mecanismo de dispersión lateral

de los productos de corrosión desde el interior de la picadura (ver sección 4.3.8).

4.3.4. Influencia de la concentración

Curvas representativas para el acero al carbono inmerso en diferentes concentraciones de

soluciones individuales de LiBr y NaCl son mostrados en la Figura 4.31 a una velocidad de

rotación fija.

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73

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-30

-20

-10

0

10

20

30

0.5 mol/L NaCl

1.0 mol/L NaCl

2.0 mol/L NaCl

i,

A/m

2

E, mV/EEH

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-30

-20

-10

0

10

20

30

0.5 mol/L LiBr

1.0 mol/L LiBr

2.0 mol/L LiBr

i,

A/m

2

E, mV/EEH

B

Figura 4.31. Curvas de polarización para el acero al carbono en soluciones aireadas a

diferentes concentraciones de NaCl (A), y LiBr (B) a velocidades de 4500 rpm y 5500 rpm

respectivamente. =1 mV/s.

Formas similares de las curvas de polarización fueron observadas para todas las velocidades

de rotación estudiadas. Independiente del tipo de sal, la magnitud de la mesta catódica

representada por la densidad de corriente límite para el oxígeno disuelto muestra una

disminución con el incremento en la concentración de sal en solución. Estos cambios son

relacionados a la dependencia de las propiedades físicas con la concentración de la solución,

tales como la difusividad y solubilidad del oxígeno, los cuales disminuyen con un incremento en

la concentración de la solución; en contraste con la densidad y viscosidad de la solución los

cuales incrementan al incrementar el contenido de sales disueltas en solución (ver Anexo 2). En

términos del rango de potenciales, el incremento en la concentración de sales en solución

reduce la región del control mixto para la RRO, lo que genera un incremento en el rango de

potenciales para la densidad de corriente correspondiente a la RRO. En efecto, para soluciones

0.5 mol/L NaCl, la región de control por transferencia de masa varía entre un rango de

potenciales entre -700 a -500 mV/EEH, mientras que para soluciones concentradas de 2 mol/L

NaCl la región de control por transferencia de masa varía entre -700 a -320 mV/EEH. Similares

condiciones fueron observadas para las experiencias realizadas con LiBr. Los cambios en el

mecanismo cinético están asociados a la dependencia de los parámetros electroquímicos con la

concentración de sales en solución, tales como las pendientes de Tafel, corrientes de

intercambio [9].

Page 84: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

74

4.3.5. Dependencia de los parámetros cinéticos

Típicamente la determinación de los parámetros cinéticos y de corrosión a partir de datos

experimentales es realizada utilizando la técnica de extrapolación gráfica de Tafel o por

aplicación de la teoría del potencial mixto [8, 5, 35]. Los requerimientos para el uso de cada una

de estas técnicas son ampliamente descritas en literatura [9, 10, 34, 49]. En el presente estudio,

tal como muestran las Figuras 4.29-4.31, el dominio catódico de las curvas de polarización

experimental no exhibe una región de Tafel muy bien definida, donde la densidad de corriente

es controlado por un mecanismo de control mixto y transferencia de masa. Es por tal motivo,

que los parámetros cinéticos y de corrosión son determinados a partir de un ajuste no lineal de

datos aplicando la teoría del potencial mixto propuesto por Wagner y Traud [34].

Como fue discutido extensamente en secciones anteriores, y acorde a la forma de las curvas de

polarización experimentales, el presente análisis de datos considerará un mecanismo por

transferencia de carga para la reacción de oxidación de hierro y la REH, y por otra parte, la

RRO será descrita por un mecanismo de control mixto por transferencia de carga y masa, tal

como describen las ecuaciones (2-7), (2-13) y (2-18) [36, 5, 112].

La Figura 4.32 muestra un ejemplo de la relación entre los valores experimentales y ajustados,

junto a la síntesis de curvas de polarización parciales y la determinación de parámetros de

corrosión. Estas curvas fueron construidas desde los parámetros cinéticos listados en las

Tablas 4.4 y 4.5. Un buen ajuste es observado entre ambas curvas ajustadas y experimentales,

validando la aplicabilidad de la teoría del potencial mixto en estudios de corrosión.

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-30

-20

-10

0

10

20

30

icorr

imod iexp

iFe iH2

iO2

i,

A/m

2

E, mV/EEH

Ecorr

Figura 4.32. Síntesis de las

curvas de polarización para

el acero al carbono inmerso

en solución aireada de 1

mol/L LiBr. =2500 rpm y

=1 mV/s.

Page 85: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

75

Tabla 4.4. Parámetros cinéticos y de corrosión para el acero al carbono inmerso en soluciones

aireadas de NaCl a diferentes velocidades de flujo.

Fe H2 O2

NaCl,

mol/L

w,

rpm

bFe,

mV/dec

105 i0,Fe,

A/m2

bH2,

mV/dec

103 i0,H2,

A/m2

bO2,

mV/dec

1010

i0,O2,

A/m2

|il,O2|,

A/m2

Ecorr,

mV/EEH

icorr,

A/m2

0.5

1500 60 0.01 -136 -3.09 -154 -1565.31 9.08 -199 1.10

2500 68 0.08 -131 -2.63 -137 -285.84 12.61 -193 1.30

4500 73 0.25 -122 -1.45 -134 -189.56 15.56 -194 1.40

5500 88 3.65 -165 -13.84 -137 -315.39 17.15 -205 1.78

6863 92 4.17 -128 -1.50 -146 -860.21 19.83 -197 1.55

Av. 76 1.63 -137 -4.50 -141 -643.26 14.85 -198 1.43

1

1500 91 16.69 -153 -8.86 -108 -7.18 8.20 -222 3.34

2500 65 0.36 -152 -5.87 -117 -46.16 10.88 -221 4.04

4500 73 1.15 -163 -15.52 -115 -47.67 12.99 -209 4.45

5500 82 4.63 -157 -10.58 -108 -10.55 15.62 -209 4.33

6863 83 5.17 -152 -8.16 -128 -569.59 18.52 -199 5.73

Av. 79 5.60 -156 -9.80 -115 -136.23 13.24 -212 4.38

2

1500 74 2.03 -163 -23.55 -108 -2.51 5.02 -253 1.66

2500 77 2.62 -159 -19.74 -114 -17.97 7.50 -235 2.47

4500 74 1.72 -161 -24.13 -77 -0.0008 9.41 -228 2.77

5500 71 0.96 -152 -13.38 -73 -0.0001 10.72 -228 2.76

6863 74 1.45 -148 -12.75 -73 -0.0001 12.56 -222 3.00

Av. 74 1.75 -157 -18.71 -89 -4.10 9.04 -233 2.53

Page 86: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

76

Tabla 4.5. Parámetros cinéticos y de corrosión para el acero al carbono inmerso en soluciones

aireadas de LiBr a diferentes velocidades de flujo.

Fe H2 O2

LiBr,

mol/L

w,

rpm

bFe,

mV/dec

105 i0,Fe,

A/m2

bH2,

mV/dec

103 i0,H2,

A/m2

bO2,

mV/dec

1010

i0,O2,

A/m2

|il,O2|,

A/m2

Ecorr,

mV/EEH

icorr,

A/m2

0.5

1500 139 146.24 -161 -20.79 -136 -291.38 8.80 -215 1.13

2500 132 163.98 -166 -28.64 -141 -554.70 11.85 -224 1.50

4500 141 263.48 -166 -30.85 -141 -620.58 16.25 -222 1.66

5500 168 889.33 -148 -15.88 -140 -683.34 18.51 -223 1.95

6863 149 404.53 -156 -22.32 -144 -1303.29 20.60 -213 2.02

Av. 146 373.51 -159 -23.69 -140 -690.66 15.20 -219 1.65

1

1500 123 117.97 -183 -92.38 -84 -0.02 8.16 -241 1.33

2500 108 41.09 -175 -96.61 -97 -1.15 10.43 -226 1.67

4500 101 18.95 -172 -93.30 -122 -304.47 14.13 -208 2.14

5500 103 22.39 -166 -81.98 -126 -658.83 15.72 -199 2.42

6863 86 3.41 -160 -73.37 -149 -14740.23 18.16 -189 3.05

Av. 104 40.76 -171 -87.53 -116 -3140.94 13.32 -213 2.12

2

1500 80 2.49 -166 -176.58 -112 -61.76 6.10 -232 1.60

2500 98 21.52 -162 -169.68 -101 -13.87 8.44 -218 2.39

4500 90 11.19 -160 -196.24 -104 -42.83 11.39 -212 3.50

5500 105 39.97 -156 -187.85 -102 -38.15 12.61 -199 3.57

6863 119 126.28 -180 -291.64 -86 -0.86 14.54 -201 3.89

Av. 98 40.29 -165 -204.40 -101 -31.49 10.62 -212 2.99

Las Figuras 4.33 y 4.34 muestran pares de gráficos para soluciones de NaCl y LiBr a

concentraciones de 0.5 y 2 mol/L, respectivamente. Cada gráfico individual contiene una familia

de curvas de polarización sintetizadas a diferentes velocidades de rotación del electrodo de

trabajo.

Page 87: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

77

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -1000

10

20

30

iFe

|iH2|

|iO2|

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

i,

A/m

2

E, mV/EEH

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -1000

10

20

30

iFe

|iH2|

|iO2|

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

i,

A/m

2

E, mV/EEH

B

Figura 4.33. Influencia de la velocidad de rotación del electrodo de trabajo sobre curvas de

polarización parciales a concentraciones de NaCl iguales a 0.5 mol/L (A), y 2 mol/L (B).

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -1000

10

20

30

iFe

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

i,

A/m

2

E, mV/EEH

A

|iH2|

|iO2|

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -1000

10

20

30

iFe

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

i,

A/m

2

E, mV/EEH

B

|iH2|

|iO2|

Figura 4.34. Influencia de la velocidad de rotación del electrodo de trabajo sobre curvas de

polarización parciales a concentraciones de LiBr iguales a 0.5 mol/L (A), y 2 mol/L (B).

En estos resultados es interesante notar que aunque la forma general y las tendencias de las

curvas de polarización para las soluciones de NaCl y LiBr a diferentes velocidades de rotación

muestran pequeñas discrepancias, las reacciones parciales entre diferentes sales exhiben

interesantes diferencias. Para la reacción de oxidación de hierro, la primera observación está

relacionada con la densidad de corriente, la cual no es significativamente afectada por el

incremento en la velocidad de rotación. Sin embargo, se aprecia que estas curvas parciales

anódicas fueron afectadas por el tipo de sal en solución. En este sentido, los valores de ,

para las soluciones de LiBr son mucho mayores que los valores observados en soluciones de

NaCl, manteniendo una diferencia entre 1 a 3 órdenes de magnitud. Mínimas diferencias son

Page 88: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

78

observadas para una concentración de 2 mol/L (Tablas 4.4 y 4.5). Además, los valores de la

pendiente de Tafel para las soluciones de LiBr variaron entre 1.5 a 2 veces más altos que

los correspondientes a las soluciones de NaCl. Los altos valores en , claramente pueden ser

expresadas como la facilidad de oxidación de hierro en soluciones de LiBr que en soluciones de

NaCl, o en otras palabras las soluciones de LiBr requieren un bajo sobrepotencial que las

soluciones de NaCl para guardar una similar densidad de corriente de oxidación. Un valor

elevado para observado para soluciones de LiBr indica una menor tasa de oxidación de

hierro en comparación con soluciones de NaCl para un mismo potencial aplicado. Estos efectos

son visualizados en las Figuras 4.33 y 4.34, como un ligero desplazamiento sobre el inicio del

potencial para la oxidación de hierro en soluciones de NaCl en comparación con las soluciones

de LiBr, combinados con un incremento exponencial más pronunciado para soluciones de NaCl

en comparación con soluciones de LiBr. Para la REH la densidad de corriente no fue afectada

fuertemente con la velocidad de rotación, en contraste con la concentración de ambas sales,

pero en una menor extensión que los parámetros para la oxidación de hierro. Por tanto, los

valores de ,� para soluciones de LiBr están entre 1 a 2 órdenes de magnitud que los

correspondientes a las soluciones de NaCl, pero las pendientes de Tafel � revelaron valores

similares para ambas soluciones de LiBr y NaCl. Estos valores elevados para ,� en

soluciones de LiBr indican que la REH requiere un bajo sobrepotencial en comparación a la

soluciones de NaCl para obtener similares magnitudes en la densidad de corriente. En contraste

a las reacciones de oxidación de hierro y evolución de hidrógeno, la densidad de corriente para

la RRO fue significativamente afectada por la velocidad de rotación debido a limitaciones en la

transferencia de masa de oxígeno desde el seno de la solución hasta la superficie metálica. El

parámetro , , representado por la meseta plana en las curvas de reducción de oxígeno

(Figuras 4.33 y 4.34), muestra un incremento en su valor absoluto con el incremento en la

velocidad de rotación, los cuales varían desde 9 A/m2 para 1500 rpm hasta 20 A/m2 para 6863

rpm en soluciones 0.5 mol/L LiBr. A elevadas concentraciones de sal en la solución, los valores

absolutos de la densidad de corriente límite revelaron ligeras disminuciones.

4.3.6. Consideraciones para el mecanismo de reducción del oxígeno

El dominio catódico para la reacción de reducción se extiende aproximadamente hasta -600

mV/EEH donde la cinética de reacción es controlada principalmente por transferencia de masa

Page 89: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

79

y la concentración de oxígeno alcanza un valor nulo sobre la superficie metálica. Acorde a los

valores de para potenciales menores a -600 mV/EEH, la densidad de corriente solo depende

del régimen hidrodinámico y las propiedades de transporte asociados al electrolito de estudio

[9]. Un análisis teórico detallado de esta situación está basado sobre un estado estacionario el

cual es acoplado con una expresión para un perfil de velocidades de solución en coordenadas

cilíndricas, en adición a apropiadas condiciones de borde para el transporte de oxígeno disuelto

desde el seno de la solución hasta la superficie metálica a una velocidad de rotación

predeterminada. Expresando la velocidad de flujo de oxígeno hacia la superficie metálica en

términos de la ley de Faraday, la ecuación de Levich es obtenida para un electrodo de disco

rotatorio [5, 9, 76]:

| , | = . / − / / (4-19)

Donde las unidades de la velocidad angular del disco rotatorio están expresadas en radianes

por segundo.

Para todas las soluciones de estudio, los valores experimentales de | , | fueron incrementando

con la velocidad de rotación, los cuales además fueron compatibles con la ecuación (4-19)

como es mostrado en la Figura 4.35. La influencia de la concentración de sales en solución es

manifestada por un desplazamiento de las curvas hacia valores más bajos de | , |, los cuales

son explicados en términos de la dependencia de los valores numéricos de los parámetros de

concentración de oxígeno disuelto y viscosidad cinemática. Gráficos de Levich | , | vs. / es

presentado en el recuadro interno de la Figura 4.35, para diferentes concentraciones de

soluciones de NaCl y LiBr.

Los valores experimentales de las pendientes de Levich para ambas soluciones, las cuales son

equivalentes a un factor de proporcionalidad S=| , |/ / y resumidas en la Tabla 4.6,

presentan una desviación media entre 2 y 12% con respecto a los valores predichos de S desde

la ecuación (4-19) asumiendo un intercambio de cuatro electrones en la reacción de reducción.

Estas desviaciones son atribuidas principalmente a los bajos valores en la concentración de

oxígeno disuelto en solución. Los factores que afectan el oxígeno disuelto no solo son la

temperatura, altitud y salinidad, sino también las condiciones hidrodinámicas.

Page 90: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

80

0 1500 3000 4500 6000 75000

10

20

30 0.5 mol/L NaCl

1 mol/L NaCl

2 mol/L NaCl

0 5 10 15 20 25

0

5

10

15

20

|ilO

2|, A

/m2

w1/2

(rad/s)1/2

0.5 mol/L NaCl

1 mol/L NaCl

2 mol/L NaCl

|il,

O2|,

A

/m2

w, rpm

A

0 1500 3000 4500 6000 75000

10

20

30

0 5 10 15 20 25

0

5

10

15

20

|ilO

2|, A

/m2

w1/2

, (rad/s)1/2

0.5 mol/L LiBr

1 mol/L LiBr

2 mol/L LiBr

0.5 mol/L LiBr

1 mol/L LiBr

2 mol/L LiBr

|il,

O2|,

A

/m2

w, rpm

B

Figura 4.35. Influencia de la velocidad de rotación sobre la densidad de corriente límite del

oxígeno en soluciones aireadas de NaCl(A), y LiBr (B). Figura inserta: Gráficos de Levich con la

relación | , | vs. / .

Tabla 4.6. Comparación de pendientes de Levich para los datos experimentales y ajustados por

la Ec. (4-19)

S ajustado

S experimental

NaCl, mol/L 0.5 0.82 0.71 1.0 0.71 0.68 2.0 0.51 0.49

LiBr, mol/L 0.5 0.89 0.83 1.0 0.75 0.69 2.0 0.63 0.58

Considerando este rango de desviación como aceptable, la información obtenida desde las

pendientes de Levich es una confirmación de que la RRO es controlada por un mecanismo de

transferencia de masa [113]. Para potenciales mayores que -600 mV/EEH la concentración de

oxígeno sobre la superficie metálica tendería a ser mayor que cero, y el grado de incidencia de

la transferencia de electrones debe ser cada vez más importante hasta alcanzar la zona del

potencial de corrosión, donde la reacción tendería a ser controlada solo por un mecanismo de

transferencia de carga. Por tanto, el factor ( − �| ,� |) en la ecuación (2-18) equivaldría a ser un

factor de proporcionalidad que indica el grado de incidencia de la reacción de transferencia de

carga sobre la cinética global de la RRO. Desde los valores numéricos para este factor, los

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81

cuales fueron mayores a 0.7 para todas las experiencias y para una condición del potencial de

corrosión , es posible afirmar que la cinética de reacción tomaría lugar a través de un

mecanismo mixto con tendencias hacia un control puro por un mecanismo de transferencia

carga.

4.3.7. Influencia de la concentración de sales y velocidad de rotación sobre los

parámetros de corrosión

Una importante consecuencia de la variabilidad de parámetros cinéticos descrita en la sección

4.3.6, es el impacto sobre la intersección entre las curvas de polarización parciales anódicas y

catódicas posicionadas para una condición del potencial de corrosión. Despreciando la

influencia de la REH sobre la contribución a la densidad de corriente catódica total en

soluciones aireadas, el valor de la densidad de corriente para RRO vendría a ser igual a la

densidad de corriente para la oxidación de hierro, para una condición del potencial de corrosión,

y equivalente a la tasa de corrosión [5, 9, 25].

La influencia de la velocidad de rotación sobre los valores del potencial de no revela

variaciones significativas, a excepción para soluciones de LiBr donde un ligero desplazamiento

en sus valores en dirección anódica es observado.

Con un incremento en la concentración de NaCl en solución, los valores se desplazaron

hacia potenciales más catódicos y las tasas de corrosión presentaron un valor máximo a

una concentración 1 mol/L NaCl. A diferencia de los parámetros de corrosión para soluciones

de LiBr, donde los cambios en fueron despreciables y las tasas de corrosión no

revelaron un valor máximo intermedio a una concentración definida. La Figura 4.36 muestra las

tasas de corrosión versus la velocidad de rotación a diferentes concentraciones de NaCl y LiBr

en solución.

Para el caso de las soluciones de NaCl, en la figura se muestra que para concentraciones de

0.5 y 2 mol/L NaCl, las tasas de corrosión tienden a alcanzar valores constantes a elevadas

velocidades de rotación, en contraste a los resultados para soluciones 1 mol/L NaCl, donde las

tasas de corrosión incrementaron con la velocidad de rotación. Por otra parte, la influencia de la

concentración de NaCl en solución muestra el incremento en la tasa de corrosión hasta una

concentración de 1 mol/L NaCl, seguida por una abrupta disminución a concentraciones de 2

mol/L NaCl.

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82

0 1500 3000 4500 6000 75000

1

2

3

4

5

6 0.5 mol/L NaCl

1 mol/L NaCl

2 mol/L NaCli c

orr

, A

/m2

w, rpm

A

0 1500 3000 4500 6000 75000

1

2

3

4

5 0.5 mol/L LiBr

1 mol/L LiBr

2 mol/L LiBr

i co

rr,

A/m

2

w, rpm

B

Figura 4.36. Influencia de la velocidad de rotación sobre las tasas de corrosión para el acero al

carbono a en soluciones aireadas de NaCl (A), y LiBr (B) a diferentes concentraciones de sales.

En este sentido, la concentración de 1 mol/L NaCl puede ser considerada como un valor umbral

para la tasa de corrosión en soluciones de NaCl. Esta disminución en las tasas de corrosión

puede ser atribuida a una disminución en el transporte de masa de oxígeno disuelto provocado

por una combinación de un bajo contenido de oxígeno disuelto y una elevada viscosidad de la

solución conduciendo a obtener bajas tasas de corrosión [26]. Para el caso de las soluciones de

LiBr, los valores de las tasas de corrosión incrementaron continuamente con la velocidad de

rotación del electrodo de trabajo. Sin embargo, las variaciones en las tasas de corrosión con la

concentración de LiBr no exhiben un valor umbral, como los observados en las soluciones de

NaCl. Acorde a estos resultados para concentraciones mayores que 1 mol/L LiBr, los aniones

bromuro revelan ser más agresivos que los iones cloruros para la corrosión del acero al

carbono.

4.3.8. Análisis morfológico

Las inspecciones morfológicas de las superficies corrosión fueron realizadas a través de

imágenes para las superficies en presencia y ausencia de la película de productos de corrosión

depositados sobre la superficie del electrodo. Muestras previo a los ensayos electroquímicos

(Figura 3.47-A1) y con presencia de productos de corrosión inmediatamente la finalización de

las mediciones potenciodinámicas (Figura 3.47-A2), fueron tomadas con un microscopio óptico,

mientras que las imágenes tomadas sin productos de corrosión fueron tomadas en un

microscopio electrónico de barrido después de un lavado de especímenes en solución de ácido

Page 93: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

83

cítrico al 5% dentro un baño ultrasónico (Figura 3.47-B). Imágenes tomadas en presencia de

productos de corrosión, exhiben la formación de una cola de cometa, la cual se inicia desde el

interior de sitios individuales de picaduras, sugiriendo así una forma de propagación de las

picaduras (Figura 3.47-A).

Figura 4.37. Corrosión del acero al carbono utilizado un electrodo de disco rotatorio.

Especímenes previo (A1) y posterior (A2) a los ensayos electroquímicos. Formación de

picaduras en soluciones NaCl (B1), y LiBr (B2).

Por otra parte, las microfotografías muestran dos patrones básicos, unas líneas circulares

concéntricas las cuales son debido al pulido de los especímenes, y otras cavidades dejadas por

la corrosión localizada. A diferencia de las cavidades formadas en soluciones de NaCl, las

cuales muestran contornos bien delineados que no cambian de tamaño (Figura 3.47-B1), las

cavidades formadas en soluciones de LiBr muestras bordes difusos (Figura 3.47-B2). Estos

resultados indican la rápida cinética de oxidación de hierro en soluciones de LiBr, los cuales

están acordes con la descripción de los parámetros cinéticos detallados en la sección 4.3.5. En

orden a estos resultados, es importante destacar que debido a los valores elevados del

parámetro , para soluciones de LiBr que para soluciones de NaCl, la cinética de oxidación

de hierro será más rápido en soluciones de LiBr que en soluciones de NaCl, siempre que los

sobrepotenciales no cambien significativamente. Esto es debido a los bajos valores en las

pendientes de Tafel para las soluciones de NaCl, los cuales indican que, para un

sobrepotencial lo suficientemente alto, la cinética de oxidación de hierro vendría a ser mayor a

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84

la observada en soluciones de LiBr, a pesar de los elevados valores de la densidad de corriente

de intercambio , para soluciones de LiBr.

4.3.9. Resumen de resultados

El presente capítulo describió un análisis de la cinética de corrosión para el acero al carbono

por soluciones de NaCl y LiBr utilizando un electrodo de disco rotatorio. La corrosión del acero

al carbono fue descrita en términos de un modelo cinético el cual considera la RRO y la REH

como contraparte catódica a la reacción de oxidación de hierro en el dominio anódico.

A pesar de las similitudes y tendencias observadas en la dependencia de la cinética de

corrosión del acero al carbono con la velocidad de rotación y concentración de sales,

diferencias particulares fueron observadas en los parámetros cinéticos y reacciones parciales.

Las corrientes de intercambio , para soluciones de LiBr estuvieron entre 1 a 3 veces órdenes

de magnitud mayores que las correspondientes a las soluciones de NaCl. Su impacto está

representado en la cinética de oxidación de hierro, el cual fue mayor que la observada en

soluciones de NaCl, y coincidentes con atributos en el daño superficial del electrodo de trabajo

observados en los atributos morfológicos. Por otra parte, las pequeñas diferencias en la cinética

de reducción de oxígeno disuelto en ambas soluciones de estudio, son atribuidas a variaciones

en las propiedades físicas de la solución y las propiedades de transporte del oxígeno disuelto.

En este sentido, el parámetro más influenciado fue la densidad de corriente límite | , |, y su

variabilidad está acorde con las predicciones teóricas de Levich.

Page 95: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

85

4.4. Simulación numérica por elementos finitos

La modelación y simulación matemática de diversos procesos juega un rol muy significante

dentro el campo industrial. Es ampliamente conocida la complejidad de los reactores

electroquímicos, fundamentalmente entre la combinación del movimiento de fluidos, procesos

de transporte de materia, y la cinética de las reacciones químicas descritas por modelos no-

lineales. Esta complejidad típicamente está enlazada a desviaciones en el comportamiento ideal

respecto a condiciones reales observadas en el diseño de procesos industriales. A partir de la

simulación numérica es posible proveer una elevada información que permita mejorar el

entendimiento de fenómenos físico-químicos, contribuyendo de esta forma al diseño de

reactores, o la optimización de procesos industriales. En el presente capítulo se realiza una

simulación numérica del fenómeno de corrosión en superficies cilíndricas de acero al carbono

inmersas bajo un flujo axial de solución agresiva. El método de elementos finitos será

implementado utilizando el software comercial COMSOL Multiphysics v.4.2.

El modelo pretende describir los perfiles de contracción de las principales especies involucradas

en el proceso de corrosión, tales como concentraciones de hierro, oxígeno, pH, entre otras.

4.4.1. Diseño del modelo geométrico

El modelo geométrico considera una simulación tridimensional de la celda de flujo anular tal

como se muestra en la Figura 4.38. Acorde a la Figura 3.1, la geometría puede ser simplificada

y construida a partir de dos núcleos concéntricos formando un espacio anular para el paso de la

solución de electrolitos, y una sección central interna correspondiente al electrodo de trabajo.

Las dimensiones geométricas de los núcleos corresponden a un radio externo de 1 cm y un

radio interno de 0.55 cm. El espécimen metálico, de longitud igual a 1 cm, fue posicionado a

una altura de 9 cm desde el fondo de la sección tubular, con el objetivo de ubicarse justo en

frente del contra electrodo y cerca del electrodo de referencia. Para simplificar el diseño

geométrico, se asume que la posición del electrodo de referencia no causa perturbación alguna

sobre el desarrollo del flujo de solución cerca de electrodo de trabajo, por lo cual este electrodo

no es considerado en el modelo geométrico.

El conducto principal de ingreso de solución (diámetro de 7 mm), fue conectado con cuatro

perforaciones horizontales (diámetro de 0.3 cm) localizados a una altura de 0.8 cm desde el

fondo de la sección tubular de la cela. Esta distribución permite mantener un flujo uniforme a

Page 96: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

86

través de la sección anular de flujo, además de mantener una posición concéntrica del electrodo

de trabajo. La longitud total del espacio anular fue igual a = 21 cm.

Figura 4.38. Modelo geométrico de la celda de flujo anular

4.4.2. Ecuación principales

Se considerará que el fluido es Newtoniano, el cual circula bajo un régimen de flujo laminar en

condiciones estacionarias. Por tanto, la ecuación de continuidad y de Navier-Stokes para la

descripción hidrodinámico del fluido pueden ser representadas por:

�∇ ∙ = (4-20)

� ∙ ∇ = −∇ + �∇ + �� (4-21)

Page 97: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

87

Por otra parte, la concentración de las diferentes especies j son determinadas considerando un

mecanismo global que involucran procesos de convección, difusión, y migración, los cuales

serán resueltos por aplicación de la ecuación den Nernst-Planck y la condición de electro-

neutralidad, dadas por [1,9]:

∇ −D ∇ − u , ∇ + ∇ + = (4-22)

∑ = (4-23)

La movilidad iónica puede ser estimada utilizando la relación de Nernst-Einstein [121]:

u , = ��� (4-24)

Acorde al análisis químico de los productos de corrosión (ver sección 4.2.1.8), el efecto de los

demás elementos de aleación del acero al carbono pueden ser despreciados, por tanto solo las

especies de O2, Cl-, Na+, H+, OH-, y Fe+2 serán consideradas en el análisis de la corrosión del

acero al carbono.

Es conocido que durante la corrosión del acero al carbono por soluciones sin amortiguador de

pH las reacciones electroquímicas que tienen lugar son la oxidación de hierro, RRO y la REH,

tal como fue demostrado en capítulos anteriores del presente estudio. Estas reacciones están

representadas por las ecuaciones (2-6), (2-10) y (2-12). En el presente trabajo, solo las

reacciones directas de las reacciones electroquímicas serán consideradas en el análisis

cinético. La cinética de corrosión, a su vez será interpretada en términos de la teoría del

potencial mixto y el modelo de superposición, los cuales consideran a la densidad de corriente

total como una contribución aditiva de las densidades de corriente parciales de las reacciones

involucradas en el proceso de corrosión. Por tanto, la densidad de flujo molar puede ser

determinada a partir de la ley de Faraday [9]:

+ = (4-25) = � (4-26)

Page 98: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

88

�− = − � � − � (4-27)

Para la modelación de la cinética de la RRO, la expresión dada por la ecuación (2-15), puede

ser considerada en términos de la concentración de oxígeno en la superficie metálica y en el

seno de la solución [36, 37], acorde a la ecuación:

= , ( . −�− ,� � ) ( �� ) (4-28)

Una cinética de primer orden para la RRO fue considerada = , y la concentración de

oxígeno sobre la superficie metálica es expresada a partir de la ley de Fick en términos de la

densidad de corriente máxima debido a la difusión de moléculas desde el seno de la solución

hacia la superficie del electrodo de trabajo, acorde a la ecuación (2-17).

Una importante consideración en la simulación numérica, es el rol del contra electrodo. Es bien

conocido que sobre la superficie del mismo procede una reacción de contra-balance a las

reacciones anódicas y catódicas. Estas reacciones de contra-balance aún no son

completamente conocidas [114]. Entonces, debido a la extensa área superficial del contra

electrodo y el electrodo de trabajo, se asume que este último limita las mediciones de la

densidad de corriente. Por otro parte, el rol del electrodo de referencia es controlar el potencial

del electrodo de trabajo versus un potencial de referencia fijo y estable, por lo que

prácticamente no existe flujo de corriente a través del electrodo de referencia. Acorde a estas

observaciones, las paredes de los núcleos interno y externo de la celda de flujo pueden ser

consideradas como paredes no-conductoras, donde no hay un flujo de corriente a través de

ellas.

4.4.3. Condiciones de borde

Las condiciones de borde para la simulación del movimiento del fluido y el transporte de masa

son presentadas en la Tabla 4.7. Para un mejor entendimiento, las condiciones de borde fueron

numeradas acorde a la nomenclatura descrita en la Figura 4.39.

Page 99: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

89

Figura 4.39. Descripción de las condiciones de borde. Conducto principal de ingreso de fluido

(1), salida de fluido (2), pared externa de la celda anular (3) y (5),pared interna de la celda

anular (5) y (7), electrodo de trabajo de acero al carbono (6).

Tabla 4.7. Condiciones de borde para la corrosión del acero al carbono inmersa en un flujo axial

de solución de NaCl. Ecuaciones de Navier-Stokes y Nernst-Planck

Dominio Condición Valor/Expresión Notas

1 Velocidad Velocidad media, medida en

el puerto de ingreso principal

Concentración cj,0 Concentración inicial

Densidad de corriente Aislante

2 Presión p = 0 Pa

Concentración n*c = 0

Densidad de corriente Aislante

3, 4, 5, 7 Concentración cj,0 Concentración en el seno de

la solución

Densidad de corriente Aislante

Velocidad =0 m/s Pared no deslizante

6 Densidad de corriente Ec. (2-20)

Densidad de flujo molar Ec. (4-25)-(4-27)

Velocidad =0 m/s Pared no deslizante

Concentración Ec. (2-17) Concentración de oxígeno en

la superficie metálica

Posterior a la definición del modelo geométrico para el sistema en estudio, el dominio fue

discretizado (dividido) en pequeñas partes unitarias (elemento finito), denominado enmallado

del sistema. La Figura 4.40 muestra una representación gráfica del enmallado fino considerado

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90

en el presente estudio, en la cual la geometría fue divida libremente en pequeños elementos

tetraédricos espaciales, los cuales aseguran una solución más precisa, y por supuesto un

incremento en el tiempo de resolución de las ecuaciones diferenciales.

Como caso de estudio, en el presente capítulo se considerará la simulación del proceso de

corrosión para el acero al carbono inmerso bajo un flujo axial de solución 1 mol/L NaCl a

diferentes velocidades de flujo de solución. Parámetros cinéticos, físicos y de transporte son

adquiridos de la Tabla 4.2 y Anexo 2.

Figura 4.40. Discretización del sistema en un número de elementos finitos

4.4.4. Perfiles de la velocidad de fluido

Una representación de los perfiles de velocidad en términos de parámetros adimensionales K y

B es mostrada en la Figura 4.41 para una velocidad de flujo de solución media igual a 0.17 m/s

medida en la sección anular equivalente a una velocidad media de 0.98 m/s medida en el

conducto de ingreso principal (dominio 1 en la Figura 4.39). El término K representa la relación

entre velocidad de flujo en dirección axial ( �) y la velocidad máxima observada en los perfiles

de flujo ( . Desde los resultados es visto que el factor K toma valores entre 0.95 y 1, los

cuales pueden ser observados tanto para la sección de entrada ( / ~ . 9) como para la

sección cercana a la posición del espécimen metálico ( / ~ . ). Este rango de valores

para el factor K fueron obtenidos para diversos números de Reynolds entre un rango de 500 y

3000. Adicionalmente, estos valores observados para el factor K están acordes con previas

investigaciones referentes a la simulación hidrodinámica para secciones de flujo anular [115],

confirmándose de esta forma la presencia de un flujo totalmente desarrollado en la sección

anular de flujo.

Por otra parte, dentro la familia de curvas adimensionales para el perfil de velocidades, los

resultados a una posición axial / = .9 , indican que el factor K no es igual a cero para

una posición correspondiente a la pared externa de la celda de flujo ( = ). Estos cambios son

Page 101: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

91

debido a la posición del puerto de salida para la solución agresiva. Los valores negativos para el

factor K observados para una posición axial / = .9 son atribuidos a la formación de

una zona de recirculación de la solución causados por la posición del puerto de salida de la

solución agresiva (Figura 4.41).

Figura 4.41. Perfiles de velocidad en función de la posición radial en términos adimensionales

(izquierda), para diferentes secciones de corte a lo largo de la celda de flujo anular en el plano

geométrico z-x (derecha). 1=Pared interna; 0=Pared externa.

4.4.5. Esfuerzo de corte

La Figura 4.42-A muestra la distribución del esfuerzo de corte a través de la pared interna de la

celda de flujo anular para diferentes velocidades de flujo medidas en la sección anular. Notar

que elevados valores en el esfuerzo de corte fueron obtenidos para las regiones de entrada y

salida de solución, los cuales fueron progresivamente disminuyendo y manteniéndose invariable

a través de la zona de flujo totalmente desarrollado. Por otro lado, el desplazamiento de las

curvas hacia valores más altos en el esfuerzo de corte con el incremento en la velocidad de

flujo, está relacionada a un incremento en la caída de presión a través de la celda anular.

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92

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 0.06 m/s

0.12 m/s

0.17 m/s

0.23 m/s

0.29 m/s

w

(Pa)

z/Lcelda

A

1 2 3 4 50

1

2

3

4

5

i co

rr, (

A/m

2)

w, (Pa)

B

Figura 4.42. Perfiles del esfuerzo de corte para la pared interna de la sección anular a lo largo

del eje axial (A), Relación entre el esfuerzo de corte y la tasa de corrosión para el acero al

carbono en solución 1 mol/L NaCl (B).

La Figura 4.42-B muestra la relación entre el esfuerzo de corte medido para la posición del

espécimen de estudio y la tasas de corrosión para una solución 1 mol/L NaCl determinadas a

diferentes velocidades de flujo. En la figura es posible apreciar la ausencia de un incremento

acelerado en la tasa de corrosión, indicando que el esfuerzo de corte no genera un efecto

significante para flujos con números de Reynolds menores a 3000. Esta afirmación puede ser

confirmada por la formación de una película homogénea de productos de corrosión sobre la

superficie metálica, y el buen ajuste de datos de datos experimentales aplicando el modelo de

superposición. Por su puesto, el incremento en el esfuerzo de corte promovido por el aumento

en la velocidad de flujo a través de la sección anular, provocaría el arrastre de pequeñas

partículas de los productos de corrosión, y consecuentemente se obtendría una película de

óxidos menos estable el cual estaría relacionado a la transferencia de masa y la velocidad de

corrosión.

4.4.6. Variación de oxígeno disuelto

La Figura 4.43 muestra el perfil de concentración superficial del oxígeno disuelto a lo largo del

eje de coordenadas z (Figura 4.43-A), así como el perfil de concentraciones de oxígeno a lo

largo del eje x (Figura 4.43-B).

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93

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

E=-100 mV/EEH

CO

2, (

mo

l/m

3)

z/Lcelda

E=-900 mV/EEH

A

0 1 2 3 40.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

CO

2, (

mo

l/m

3)

x-ri, (mm)

E=-100 mV/EEH

E=-900 mV/EEH

B

Figura 4.43. Perfiles de concentración para el oxígeno disuelto. Dirección axial del eje z (A),

dirección del eje x, para / = . (B). 1 mol/L NaCl.

La baja variabilidad en la concentración superficial de oxígeno en la sección de ingreso a la

celda de flujo anular, visualizado a valores de / < . , claramente indican una

distribución uniforme en la concentración sobre la superficie del electrodo e igual a la

concentración en el seno de la solución. Para posiciones axiales correspondientes a la sección

del electrodo de trabajo . < / < . la concentración de oxígeno muestra una clara

dependencia con el potencial aplicado, donde la concentración superficial va incrementando

paulatinamente a medida que el potencial aplicado al electrodo de trabajo se desplaza hacia

valores más anódicos. Estos resultados están acordes a las curvas de polarización

experimentales y al modelo cinético propuesto para la reacción catódica de la RRO, y tal como

era de esperarse, concentraciones nulas de oxígeno disuelto fueron observadas a potenciales

altamente catódicos los cuales correspondes a la región controlada por un mecanismo de

transferencia de masa (Figura 4.6) según la definición de densidad de corriente límite. Con el

desplazamiento en la posición axial hacia valores de / > . , la concentración

superficial de oxígeno muestra diferentes patrones con el potencial aplicado, los cuales, a

diferencia de la sección de ingreso a la celda anular, son una consecuencia del consumo sobre

la superficie del electrodo de trabajo así como el efecto convectivo debido al flujo axial de

solución.

La Figura 4.43-B muestra la variaciones de concentración del oxígeno disuelto respecto de la

posición cartesiana x, para una posición / = . cercana al espécimen metálico. Esto es

observado que los perfiles de concentración pueden ser representados por la ecuación general

del transporte de materia, los cuales implican principalmente los procesos de transporte a través

Page 104: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

94

de un mecanismo de difusión y conducción. Claro está que en la vecindad del electrodo de

trabajo no es observado un efecto convectivo, siendo más importante el transporte por difusión.

Por otra parte, los resultados muestran claramente la dependencia de la concentración

superficial de oxígeno disuelto con el potencial aplicado, donde para valores muy catódicos la

concentración de oxígeno tiende hacia valores nulos, alcanzando la densidad de corriente nula.

Estos resultados, junto a las curvas de polarización experimentales y los potenciales de

corrosión, confirman que la corrosión metálica del acero al carbono está controlada por un

mecanismo mixto de transferencia de masa y carga. Una representación gráfica de los perfiles

de concentración para el oxígeno disuelto en tres dimensiones es mostrada en la Figura 4.44,

para diferentes potenciales aplicados sobre el espécimen de estudio.

Figura 4.44. Distribución tridimensional de la concentración de oxígeno disuelto en la celda de

flujo anular para potenciales de -100 (A), -300 (B), y -800 mV/EEH. Concentración en mol/m3.

La flecha de color rojo indica la dirección de flujo de solución.

4.4.7. Cambios en el pH superficial

Tal como se describió en la sección 4.2.1.7, otro importante parámetro de estudio es la

determinación del pH superficial y su variación con el potencial aplicado. La Figura 4.45 muestra

la variación del pH superficial a través del eje axial de la celda de flujo anular, así como sus

cambios con el potencial aplicado. En el caso de la variación superficial del pH a través del eje

axial z, las curvas mostraron un comportamiento similar al observado para el oxígeno disuelto,

A B C

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95

donde para la sección de ingreso ( / < . ) el pH superficial es igual al valor de pH en el

seno de la solución. Por otro lado, para la sección del electrodo de trabajo, un incremento

acelerado en el pH superficial con respecto al pH en el seno de la solución es observado para

todos los potenciales aplicados. Estos resultados indican la presencia de una mayor

concentración de iones hidroxilo sobre la superficie del metal, los cuales están relacionados a la

RRO y la REH, respectivamente (ver sección 2.5). Además esto es visto que el incremento en el

potencial aplicado hacia valores anódicos, promueve una disminución en el pH superficial.

Estos resultados están acordes con la teoría del potencial mixto, donde a potenciales más

anódicos la generación de iones hidroxilos está limitada a la RRO.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.06

7

8

9

10

11

pH

su

p

z/Lcelda

E=-900 mV/EEH

E=-100 mV/EEH

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -2008.0

8.5

9.0

9.5

10.0

10.5

11.0

pH

su

p

E, (mV/EEH)

B

Figura 4.45. Perfiles de concentración para el pH superficial en dirección axial del eje z (A),

variación del pH superficial con el potencial aplicado (B). / = . (■), / = . (●),

y pH superficial desde la ecuación 4-15 (línea sólida).

La Figura 4.45-B muestra las variaciones del pH superficial con el potencial aplicado, los cuales

fueron determinados para la parte inferior ( / = . ) y superior ( / = . ) del

electrodo de trabajo. En la misma figura se muestra la comparación del pH superficial

determinado a través de la simulación numérica y los determinados por el procedimiento

descrito en la sección 4.2.1.7. Acorde a estos resultados, el pH superficial en la parte superior

del electrodo fue mucho mayor respecto al pH superficial obtenido en la parte inferior, indicando

que una gran cantidad de productos de corrosión podrían ser acumulados en esa zona debido a

su elevada alcalinidad asociado a la tendencia de reacción con los iones ferrosos y la futura

formación de Fe(OH)2, relacionada a su producto de solubilidad [74]. Estas conclusiones fueron

corroboradas con inspecciones morfológicas del espécimen corroído, donde el efecto

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96

convectivo claramente muestra un mayor depósito en la parte superior del espécimen con

relación a la parte inferior (Figura 4.17 y 4.26). Adicionalmente, es observada una misma

tendencia en las variaciones del pH superficial con el potencial aplicado obtenido desde la

simulación numérica y la resolución analítica de las ecuaciones de transporte acorde al

procedimiento propuesto en la sección 4.2.1.7. Estos resultados confirman la aplicabilidad de la

simulación numérica a los procesos electroquímicos de corrosión [116-119].

La Figura 4.46 muestra los perfiles de concentración para las especies involucradas en el

proceso de corrosión del acero al carbono en soluciones aireadas de NaCl. Desde la figura, los

niveles en la concentración de iones ferrosos van incrementando conforme los potenciales se

hacen más anódicos. La concentración de iones hidroxilo muestra un acelerado incremento en

sus niveles a potenciales altamente catódicos, los cuales van alcanzando una meseta

ligeramente plana entre potenciales de -700 y -400 mV/EEH, para finalmente disminuir su

concentración a potenciales más anódicos. La concentración de los iones cloruro y sodio, no

muestran cambios apreciables con el potencial aplicado, ya que en la presente simulación

numérica se consideró como especies no reactivas, como una delimitación al sistema.

Finamente la concentración de oxígeno disuelto incrementa cuando el potencial se hace más

anódico, donde el consumo acelerado de oxígeno para potenciales intermedios sugiere que el

mecanismo de reacción es principalmente controlado por un mecanismo de transferencia de

masa. Los cambios en las concentraciones de oxígeno e iones hidroxilos son reflejados en

cambios observados en el pH superficial (Figura 4.45) [116, 117].

-1000 -800 -600 -400 -200

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Cl-

Cj,

(m

ol/

L)

E, (mV/EEH)

Na+

OH-

H+

Fe2+

O2

Figura 4.46. Perfil de concentraciones sobre la superficie metálica como función del potencial

aplicado a una posición axial de / = .

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97

4.4.8. Resumen de resultados

Para complementar los estudios de la corrosión del acero al carbono por soluciones de NaCl

inmerso dentro una novedosa celda de flujo anular, una simulación numérica fue realizada

utilizando el software COMSOL Multiphysics. El modelo numérico permite obtener una

descripción más completa del equilibrio químico en la interface sólido-líquido y las reacciones

electroquímicas que suceden sobre esta. Un sistema tridimensional fue utilizado para la

resolución de las ecuaciones diferenciales parciales que involucran el movimiento del fluido y el

transporte de materia, las cuales están representadas por las ecuaciones de Navier-Stokes y

Nernst-Planck respectivamente. La concentración de especies reveló un desplazamiento en sus

concentraciones a través de la dirección del flujo, promoviendo una elevada concentración

sobre la parte superior del electrodo, resultados que fueron confirmados por el análisis

morfológico realizado en secciones previas. Además, cambios en la distribución del pH

superficial sobre el electrodo de trabajo fueron confirmados con la resolución analítica de las

ecuaciones de transporte. Los resultados presentados desde el modelo numérico propuesto

están acordes con otros cálculos experimentales encontrados en literatura.

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98

5. DISCUSION GLOBAL

5.1. Generalidades

Para los estudios de corrosión presentados en el presentado trabajo se utilizó un diseño

novedoso de celda de flujo anular por el cual circula un flujo axial de solución agresiva sobre

una superficie cilíndrica de acero al carbono. Esta celda fue diseñada y construida en ambientes

del Departamento de Ingeniería Química y Procesos de Minerales de la Universidad de

Antofagasta, y posteriormente inscrita para revisión como Patente de Invención en oficinas de

patentamiento de Chile y Estados Unidos de América. Esta celda de flujo anular consiste de un

conducto anular donde van instalados tres-electrodos para la realización de mediciones

electroquímicas en un arreglo que permite recambio de electrodos, limpieza de partes interiores

y mediciones complementarias en línea. Las mediciones en línea son muy adaptables a

mediciones y monitoreo en línea tanto de concentración de oxígeno disuelto, de pH, y cualquier

otro atributo medible con algún tipo de sensor de pequeño tamaño en el seno de la solución.

Dentro las mediciones electroquímicas experimentalmente revisadas están la espectroscopía de

impedancia electroquímica, mediciones de potencial y corriente en voltametría de barrido cíclica

y lineal, cronopotenciometría y cronoamperometría.

Debido a la novedad de esta celda de flujo anular y el procedimiento experimental, es necesaria

la realización de una caracterización comprensiva del sistema, con el fin de validar los datos

obtenidos. En consecuencia, se realizó una comparación con ensayos de corrosión utilizando

una celda electroquímica clásica basada en un electrodo de disco rotatorio el cual fue diseñado

y construido manteniendo una superficie plana de geometría circular.

Un estudio fundamental sobre el proceso de corrosión fue realizado en superficies cilíndricas de

acero al carbono inmerso bajo un flujo axial de soluciones agresivas de NaCl y LiBr, con el

objetivo de investigar el impacto de diferentes parámetros físico-químicos sobre la cinética de

corrosión el presente trabajo está limitado a la utilización de la técnica de voltametría de barrido

lineal además de la caracterización morfológica de los especímenes metálicos estudiados,

mediante microscopía de barrido electrónico. Se comprobó experimentalmente que la cinética

de corrosión, en términos de la tasa de corrosión, disminuye gradualmente con un incremento

en la concentración de NaCl desde 1 hasta 4 mol/L a una velocidad de flujo de solución

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99

constante. A diferencia de estos resultados, las soluciones de LiBr causan un incremento

continuo en la velocidad de corrosión para el rango de concentraciones entre 0.5 y 2 mol/L. En

ambos casos de las soluciones de NaCl y LiBr, la variación en las condiciones hidrodinámicas

en la celda de flujo reveló un incremento en las tasas de corrosión con el incremento en la

velocidad de flujo de solución a través de la sección anular, promoviendo un incremento en el

depósito de productos de corrosión sobre la superficie del espécimen metálico. Estos cambios

en la velocidad de corrosión son consistentes con la dependencia de la reacción de reducción

de oxígeno disuelto con la velocidad de flujo y la concentración de sales en solución, indicando

un aumento en el transporte de masa de oxígeno con el incremento en la velocidad de flujo de

solución, en contraste a un limitado transporte de oxígeno con el incremento en la

concentración de NaCl y LiBr. Otro efecto del incremento en el flujo de solución es el

desplazamiento de los potenciales de corrosión en la dirección catódica, lo cual fue atribuido a

variaciones de pH-superficial causados por la ausencia de un amortiguador de pH en solución.

Las características observadas en la disolución de hierro fueron confirmadas por distribuciones

particulares en las picaduras debido al efecto de la velocidad de flujo de solución. En este

sentido, para las soluciones de NaCl se observó que a bajas velocidades de flujo de solución la

distribución de picaduras exhibió un arreglo lineal, sin embargo para elevadas velocidades de

flujo la distribución de picaduras reveló un arreglo aleatorio. Adicionalmente, la influencia de la

dirección del flujo sobre la formación de la película de óxidos depositados en la superficie del

espécimen, fue verificada por un mayor depósito de óxidos en el límite superior del espécimen,

respecto al límite inferior. Estos resultados fueron corroborados por la propagación de las

picaduras apreciadas por una densa película de óxidos que fluyen desde el interior de los sitios

de picado dejando marcadas líneas de óxidos en la dirección del flujo.

Con propósitos comparativos, se realizaron además estudios de corrosión para el acero al

carbono utilizando una celda clásica de disco rotatorio bajo condiciones de estudio similar a los

realizados con la celda de flujo anular. Se destaca una clara diferencia entre las curvas de

polarización obtenidas para los electrodos cilíndricos (celda de flujo anular) y electrodos planos

de geometría circular (electrodo de disco rotatorio). Diversos aspectos fueron discutidos en

términos de la reacción de reducción de oxígeno. En particular, los resultados indican que para

los electrodos cilíndricos, las formas de las curvas de polarización no muestran cambios

apreciables con la concentración de sales en solución, a diferencia de los resultados

observados para los electrodos planos de geometría circulares las cuales presentaron cambios

Page 110: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

100

apreciables fundamentalmente en la región del control mixto. En general, todas las curvas de

polarización obtenidas para la geometría cilíndrica, muestran una ventana de potenciales muy

reducida para la región catódica atribuida a un mecanismo de control mixto. Este último

comportamiento no fue observado para las curvas de polarización obtenidas para el electrodo

de disco rotatorio, donde la ventana de potenciales para la región de control mixto fue variando

notablemente con la concentración de sal, alcanzando un estado similar a los electrodos

cilíndricos para concentraciones muy elevadas de sal en la cual la concentración de oxígeno

disuelto cerca de la superficie metálica es mucho menor. Estas diferencias entre ambas

geometrías no son atribuidas a cambios en los mecanismos de reacción, ya que ambos

resultados exhibieron una buena compatibilidad con el modelo cinético propuesto. En cambio,

estas diferencias si pueden ser atribuidas a una baja transferencia de oxígeno disuelto desde el

seno de la solución hasta la superficie del electrodo, lo cual estaría acorde con los cambios en

la densidad de corriente límite para ambas geometrías. Adicionalmente a la comparación del

subproceso catódico, dentro el dominio anódico de las curvas de polarización los resultados

revelaron que para los electrodos de geometría cilíndrica, en general se observan variaciones

en las densidades de corriente con las condiciones hidrodinámicas, principalmente para las

soluciones de LiBr. En cambio las mesetas anódicas obtenidas para la geometría circular,

fueron menos sensibles a cambios en las condiciones hidrodinámicas. Estos resultados

demuestran los cambios en la homogeneidad en ambos sistemas, lo cual fue confirmado por la

forma y distribución característica de los sitios de picadura en ambas geometrías. Con relación

a los cambios en la velocidad de corrosión entre ambas celdas electroquímicas y arreglos

geométricos del electrodo de trabajo, las tasas de corrosión determinadas para el acero al

carbono en soluciones de NaCl utilizando la geometría circular, estuvieron acordes con los

resultados obtenidos en previas investigaciones para concentraciones menores a 1 mol/L; así

mismo, las tendencias en las tasas de corrosión con el contenido de NaCl para concentraciones

mayores a 1 mol/L corroboraron los resultados obtenidos utilizando el electrodo de geometría

cilíndrica. Las tendencias en las tasas de corrosión también fueron verificadas para las

soluciones de LiBr, donde aparece una severa influencia de la concentración sobre la velocidad

de corrosión. En general, los parámetros cinéticos de las pendientes de Tafel y densidades de

corriente de intercambio revelaron tendencias similares entre ambas geometrías de estudio. En

el caso de la cinética de oxidación de hierro, los parámetros cinéticos no mostraron diferencias

relevantes entre el electrodo cilíndrico y el electrodo circular. Condiciones similares fueron

observadas para la cinética de evolución de hidrógeno. Por otra parte, en todos los casos de

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101

estudio la reacción de reducción de oxígeno reveló una cinética de control mixto, la cual

presenta una significativa dependencia de la ventana de potenciales con la concentración de

sales y velocidad de flujo de solución, que es compatible con la variabilidad en los parámetros

cinéticos para esta reacción, donde tendencias particulares fueron observadas para ambas

configuraciones geométricas del electrodo de trabajo. Los resultados y discusiones obtenidas

en torno a las condiciones cinéticas de la corrosión del acero al carbono, permiten demostrar la

influencia de la geometría del espécimen de estudio sobre las interacciones que ocurren en la

interface metal-electrolito y las diferentes reacciones que tienen lugar sobre esta superficie.

Todo el análisis electroquímico del proceso de corrosión de muestras cilíndricas de acero al

carbono insertos dentro la celda de flujo anular, fueron obtenidas bajo la premisa de un flujo

desarrollado de solución a través del espacio anular. Esto fue corroborado a través de una

simulación numérica tridimensional utilizando el método de elementos finitos para el flujo de

solución a través de la celda de flujo anular, el cual confirmó un flujo desarrollado para cualquier

posición axial de la celda de flujo anular. Adicionalmente, los perfiles del pH efectivo sobre la

superficie del acero al carbono exhibieron una alta compatibilidad de resultados con los perfiles

determinados a partir de la resolución analítica de las ecuaciones fundamentales para el

transporte de materia. La integración de la teoría del potencial mixto y el modelo de

superposición con el procedimiento de resolución numérica a través del método de elementos

finitos, exhibió alta compatibilidad con los resultados experimentales los cuales claramente son

representados por los perfiles de concentración de las especies iónicas y no-iónicas. En el

presente trabajo, el estudio numérico provee perfiles de velocidades de flujo de solución, así

como perfiles de concentración de especies electroactivas bajo diferentes posiciones

geométricas de la celda de flujo anular, los cuales permiten obtener un elevado conocimiento

dentro los fenómenos electroquímicos de la corrosión metálica.

La celda de flujo anular examinada en el presente trabajo, presenta interesantes aplicaciones

potenciales que podrían aportar beneficios de investigación y de aplicaciones al control y

monitoreo de la corrosión, tal como fue demostrado en virtud de la confiabilidad de las

mediciones electroquímicas y versatilidad de operación. En este sentido, con el presente trabajo

se pretende contribuir a la ciencia y la industria con el desarrollo de tecnología de punta y

conocimientos teórico-prácticos que permitan controlar un problema global como es la corrosión

metálica. Ejemplos aplicados son un rápido análisis de la cinética de corrosión de diversos

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102

materiales conductores o semiconductores en ambientes agresivos seleccionados bajo

condiciones de operación industrial real, además de la evaluación de formas de prevención y

protección contra la corrosión mediante aplicación de inhibidores de corrosión. Otras

aplicaciones de interés, están asociadas a la medición de actividad electroquímica en la

presencia de ciertos iones electroactivos de interés (Ej., cianuro), la realización de ensayos de

electrodeposición en sistemas continuos de flujo, y la evaluación de la interacción sólido-líquido

para minerales semiconductores (Ej., estudios de flotación selectiva de minerales).

Page 113: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

103

6. CONCLUSIONES

El interés de proveer un mejor entendiendo sobre fenómenos asociados a la degradación

metálica por corrosión, hacen mandatorio la revisión periódica de nuevas tecnologías para su

monitoreo, manejo y control adecuado. Por tanto, la innovación técnica de la celda

electroquímica de flujo anular presentada en este trabajo, permite constituir una base sólida

para futuras investigaciones relacionadas al monitoreo de la corrosión metálica bajo diversas

condiciones de estudio.

En orden a lograr los objetivos planteados en el presente trabajo, la técnica de voltametría de

barrido lineal fue utilizada para el estudio de la corrosión de superficies extendidas de acero al

carbono tipo AISI 1020 inmersas en soluciones individuales de NaCl y LiBr. Una novedosa

celda electroquímica de flujo anular fue utilizada para este propósito. Así mismo, un estudio

comparativo para el mismo material metálico fue realizado utilizando una celda electroquímica

convencional con electrodo de disco rotatorio. Las siguientes conclusiones se pueden extraer

desde los resultados experimentales.

Celda electroquímica de flujo anular.

El diseño de la nueva celda supera dificultades técnicas observadas en celdas

electroquímicas utilizadas para estudios de corrosión sobre superficies extendidas de

diferentes configuraciones geométricas. El uso de un sistema de tres electrodos y la

versatilidad en mediciones electroquímicas para la determinación instantánea y en línea de

tasas de corrosión son características fundamentales.

La selección adecuada de materiales y parámetros de funcionamiento del sistema

experimental, permitió establecer condiciones experimentales de estudio dentro un rango

de velocidades de flujo medias entre 0 y 1.26 m/s, y concentraciones de las sales disueltas

en solución hasta 4 mol/L.

Una velocidad de barrido de potencial igual a 1 mV/s fue establecido como valor óptimo de

entrada requerido para la generación de curvas de polarización, el cual permite alcanzar

condiciones estacionarias. Este parámetro es decisivo debido a cambios de pH en la

interface sólido-liquido causado por una baja capacidad amortiguadora de las soluciones.

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104

A partir de las curvas de polarización experimentales para superficies cilíndricas de acero al

carbono, se comprobó la aplicabilidad del modelo cinético propuesto y la metodología

numérica para la síntesis y descripción cinética de las reacciones parciales de oxidación de

hierro, reducción de oxígeno y evolución de hidrógeno, así como la determinación de

parámetros de corrosión acorde al modelo de superposición en el contexto de la teoría del

potencial mixto.

El incremento en la velocidad de flujo de solución promueve un incremento en la tasa de

corrosión para ambas sales estudiadas, la cual es relacionada al incremento en el

transporte de oxígeno disuelto hacia la superficie metálica por cambios en el espesor de la

película de difusión.

Por otra parte, el estudio de soluciones de NaCl como medio agresivo reveló una

disminución en las tasas de corrosión para concentraciones mayores a 1 mol/L. En cambio,

el incremento en la concentración de LiBr en solución, revela un incremento en las tasas de

corrosión a bajas velocidades de flujo, las cuales van alcanzando un valor constante a

elevadas velocidades de flujo. Variaciones en las propiedades de transporte del oxígeno

con la salinidad de la solución explican estos cambios en la tasa de corrosión.

El análisis morfológico de los especímenes corroídos confirman el efecto convectivo y la

dirección de flujo sobre la formación y distribución de picaduras, y la forma de la película de

óxidos depositados sobre su superficie. Estos efectos fueron representados por la

formación de una cola de cometa en la forma de los productos de corrosión, y una

distribución de picaduras lineal y aleatorio dependientes de la velocidad de flujo.

Los cambios en pH superficial fueron demostrados a partir de la solución analítica de las

ecuaciones de transporte de materia, confirmándose así que el pH sobre la interface sólido-

líquido es diferente al pH en el seno de la solución.

Celda electroquímica con electrodo de disco rotatorio.

Las curvas de polarización muestran que la reacción de reducción de oxígeno fue más

afectada por la velocidad de rotación del electrodo y la concentración de sales en solución.

Cambios en la densidad de corriente límite por efecto de la velocidad de rotación, y

cambios en ventana electroquímica para la región de control mixto con la concentración de

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105

sales en solución son principales características. Por otra parte, la reacción de oxidación de

hierro solo reveló una dependencia con la concentración de sales en solución.

Para soluciones de LiBr, el incremento en su concentración promueve un continuo

incremento en las tasas de corrosión. Por otra parte, para soluciones de NaCl las tasas de

corrosión incrementan hasta un valor umbral de concentración igual a 1 mol/L, desde el

cual las tasas de corrosión disminuyen con el incremento en la concentración de NaCl.

La forma de los sitios de picado en soluciones de NaCl revelaron contornos bien

delineados, a diferencia de los sitios de picado para LiBr los cuales revelan bordes difusos.

Esto resultados confirman una mayor cinética de oxidación de hierro para soluciones de

LiBr respecto a soluciones de NaCl, los cuales son representados por cambios en sus

parámetros cinéticos.

Relación de resultados en la celda electroquímica de flujo anular y la celda con electrodo

de disco rotatorio.

La descripción de las curvas de polarización experimentales generadas utilizando ambas

configuraciones de celdas electroquímicas, revelaron una buena compatibilidad con el

modelo cinético propuesto en este trabajo. Esto confirma que el mecanismo de reacción no

varía según la configuración geométrica de la celda electroquímica.

Los cambios en el transporte de oxígeno hacia la superficie metálica, debido a variaciones

en las propiedades físicas de la solución, reveló diferencias significativas entre las meseta

catódicas correspondiente a la región del control mixto para la reacción de reducción de

oxígeno. Estas diferencias entre ambas geometrías son relacionadas a cambios en la

densidad de corriente límite para el oxígeno disuelto.

Los modelos predictivos para la densidad de corriente límite de oxígeno fueron

correlacionados satisfactoriamente a la ecuación de Ghoshy Upadhyay para la celda de

flujo anular, y la ecuación de Levich para el electrodo de disco rotatorio.

Para ambas configuraciones geométricas del electrodo de trabajo, las tendencias en las

tasas de corrosión con la concentración de sales y condiciones hidrodinámicas, revelaron

un comportamiento similar para ambas sales de NaCl y LiBr.

La caracterización morfológica confirma la influencia de la geometría y el área superficial de

estudio sobre procesos de formación y distribución de picaduras. Los sitios de picado y la

forma de la película de óxidos depositados sobre la superficie metálica dependen

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106

fuertemente del tipo y dirección del movimiento de fluido ejercido sobre la superficie

metálica.

Simulación numérica por elementos finitos.

Un modelo numérico para la celda de flujo anular fue desarrollado utilizado Comsol

Multi-Physics 4.2, combinando ecuaciones diferenciales para el transporte de materia y

movimiento de fluido, con modelos cinéticos para las reacciones de reacciones parciales

de electrodo, bajo condiciones estacionarias.

El perfil de velocidades de flujo obtenido desde la simulación numérica confirma la

presencia de flujo totalmente desarrollado en la sección anular de flujo, revelando la

ausencia de remolinos o perturbaciones de flujo cerca del espécimen metálico.

Las variaciones en la concentración de oxígeno disuelto con el potencial aplicado al

espécimen metálico de estudio, están acordes a los modelos cinéticos propuestos para

la descripción de la cinética de reducción de oxígeno disuelto, además del efecto

convectivo sobre su transporte.

Los cambios en el pH superficial estuvieron acordes con la resolución analítica de los

modelos de transporte de materia, los cuales variaron entre un rango de 8 a 10.5 para

un rango de potenciales entre -950 y -200 mV/EEH.

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107

7. RECOMENDACIONES

La presentación de esta novedosa celda de flujo anular para la realización de mediciones de la

velocidad de corrosión en línea de especímenes metálicos con superficies extendidas,

constituye una base sólida para futuras investigaciones.

En base a los estudios realizados se proponen las siguientes actividades para ser consideradas

en investigaciones complementarias:

Un estudio más detallado de la cinética de corrosión de materiales metálicos, en base a

mediciones electroquímicas simultáneas con el monitoreo en línea de consumo de

oxígeno disuelto en solución para la determinación de velocidades de corrosión. Estos

estudios en detalle son necesarios para corroborar el rol del oxígeno y su actividad

durante la corrosión metálica.

Muchos estudios de corrosión realizados bajo la influencia de las condiciones

hidrodinámicas, consideran que la densidad de corriente límite para el oxígeno disuelto

es equivalente a la densidad de corriente de corrosión. Acorde a los resultados

presentados en el presente trabajo, esta consideración no se cumple en un rango de

condiciones de régimen laminar e intermedio en la celda de flujo anular. Por tanto, es

recomendable la extensión del presente estudio utilizando mayores velocidades de flujo

de solución a través de la sección anular, los cuales permitan alcanzar un régimen de

flujo turbulento.

Existe una gran variedad de procesos industriales que están relacionados con flujo de

soluciones a través de ductos metálicos anulares. Para tales casos la celda de flujo

anular debería simular con fidelidad la corrosión metálica bajo diversas condiciones

operativas.

En términos de la aplicabilidad potencial de la novedosa celda de flujo anular, se

menciona la electrodeposición de cobre, que por sus características permitiría

confinamiento del oxígeno generado en la reacción anódica. En celdas convencionales,

esta generación de oxígeno es responsable de la formación de neblina ácida.

En la tecnología de procesamiento de minerales mediante flotación, es conocido que

diferentes reacciones ocurren sobre la superficie de los minerales presentes en la pulpa.

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108

Acorde a ello, el monitoreo en línea del potencial de equilibrio así como el pH-superficial

son factores relevantes para el control de la flotabilidad de minerales. Sería interesante

considerar estudios basados en medición e interpretación del potencial electroquímico

en pulpas de flotación de minerales sulfurados, utilizando electrodos fabricados con los

minerales a flotar.

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Page 129: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

119

ANEXOS

Anexo 1

Síntesis de curvas de polarización parciales para el acero inoxidable AISI 316 L. Los resultados

muestran una elevada ventana electroquímica dentro la región anódica, lo cual permite su

aplicación como contra electrodo en el diseño de la celda de flujo anular.

-1200 -800 -400 0 400 800-20

-10

0

10

20

30 iFe

iO2

iH2

iexp

i (

A/m

2)

E (mV/EEH)

Composición química del acero AISI 316L, expresada en porcentaje en peso (%):

C Si Mn P S Cr Mo Ni Fe

AISI 316L 0.035 1.0 2.0 0.04 0.03 16.0 2.0 10.0 Balance

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120

Anexo 2

Tabla de propiedades físicas y de transporte utilizada en el presente trabajo.

Constante/

Parámetro

Valor Fuente

referencial

Notas

� 1018.2 Kg/m3 57

0.5 mol/L NaCl

� 9.3x10-4 Pa s 57

0.21 mol/m3 Experimental

6.1 Experimental

2.03x10-9 m2/s 58, 60

�− 5.04x10-9 m2/s 120

450 Calculada � 1036.4 Kg/m3 57

1 mol/L NaCl

� 9.75x10-4 Pa s 57

0.215 mol/m3 Experimental

6.6 Experimental

1.90x10-9 m2/s 58, 60

�− 5.04x10-9 m2/s 120

495 Calculada � 1072.3 Kg/m3 57

2 mol/L NaCl

� 1.08x10-3 Pa s 57

0.187 mol/m3 Experimental

6.7 Experimental

1.60x10-9 m2/s 58, 60

�− 4.72x10-9 m2/s 120

629 Calculada � 1143.7 Kg/m3 57

4 mol/L NaCl

� 1.39x10-3 Pa s 57

0.149 mol/m3 Experimental

6.9 Experimental

1.55x10-9 m2/s 58, 60

�− 3.9x10-9 m2/s 120

784 Calculada

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121

� 1030Kg/m3 57

0.5 mol/L LiBr

� 9.2x10-4 Pa s 57

0.23 mol/m3 Experimental

6.69 Experimental

1.99x10-9 m2/s 58, 60

�− 5.04x10-9 m2/s 120

449 Calculada � 1076.4 Kg/m3 57

1 mol/L LiBr

� 1.07x10-3 Pa s 57

0.22 mol/m3 Experimental

7.84 Experimental

1.7x10-9 m2/s 58, 60

�− 5.04x10-9 m2/s 120

585 Calculada � 1124.7 Kg/m3 57

2 mol/L LiBr

� 1.11x10-3 Pa s 57

0.19 mol/m3 Experimental

8.43 Experimental

1.65x10-9 m2/s 58, 60

�− 4.72x10-9 m2/s 120

598 Calculada + 1.0x10-9 m2/s 121 Para todas las soluciones

− 1.0x10-9 m2/s 121 Para todas las soluciones

− 1.0x10-9 m2/s 121 Para todas las soluciones

�+ 9.3x10-9 m2/s 121 Para todas las soluciones

+ 1.0x10-9 m2/s 121 Para todas las soluciones

� − 1.0x10-9 m2/s 121 Para todas las soluciones

+, 1.0x10-6 mol/L 46 Concentración inicial de Fe2+

1.0x10-8 mol2/m6 118

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122

Números de Reynolds para las experiencias de corrosión del acero al carbono por soluciones

de NaCl utilizando la celda de flujo anular

Re 1 mol/L NaCl 2 mol/L NaCl 4 mol/L NaCl

0.06 551 516 426

0.12 1102 1033 853

0.17 1652 1549 1279

0.23 2203 2065 1705

0.29 2754 2581 2132

Números de Reynolds para las experiencias de corrosión del acero al carbono por soluciones

de LiBr utilizando la celda de flujo anular

Re 0.5 mol/L LiBr 1 mol/L LiBr 2 mol/L LiBr

0.25 1120 1006 1013

0.5 2239 2012 2026

0.75 3359 3018 3040

1 4478 4024 4053

1.26 5643 5070 5107

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123

Números de Reynolds para las experiencias de corrosión del acero al carbono por soluciones

de NaCl y LiBr utilizando el electrodo de disco rotatorio

Re

, rpm 0.5 mol/L LiBr 1 mol/L LiBr 2 mol/L LiBr

1500 703 632 637

2500 1172 1053 1061

4500 2110 1896 1910

5500 2579 2318 2334

6863 3218 2892 2913

0.5 mol/L NaCl 1 mol/L NaCl 2 mol/L NaCl

1500 688 668 624

2500 1147 1113 1040

4500 2064 2004 1872

5500 2522 2449 2287

6863 3147 3056 2854

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124

Anexo 3

LOGROS DE LA PRESENTE INVESTIGACION

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PROYECTOS DE INVESTIGACION-Investigador Principal

CONICYT-VIU-FONDEF 120016-Etapa I

“Celdas de flujo para el monitoreo en línea de la corrosión”

Resumen Ejecutivo

A nivel mundial, las pérdidas correspondientes a daños ocasionados por la corrosión ascienden a US$276.0001 y, a nivel nacional, Chile pierde alrededor del 3% de su PIB por efecto de la corrosión2, lo que equivale a un mercado potencial de US$ 7.393 millones para el año 2012. En la industria minera y solo en anticorrosivos se invierten entre US$6,2 y US$7,3 millones3. Ello demuestra la importancia del impacto de la corrosión a nivel de los distintos sectores industriales de un país, por lo cual se hace crucial poder prevenir y controlar este fenómeno.

Es en este ámbito técnico, el presente proyecto viene a aprovechar la oportunidad de negocios existente en los sectores industriales de Chile, como es el caso de la Minería y la Construcción, para lo cual se considera el diseño y la implementación de Servicios de Ingeniería de Corrosión. Los servicios propuestos presentan la ventaja competitiva generada por el desarrollo tecnológico de una nueva celda de flujo para el monitoreo en línea de la corrosión, llevada a cabo por el Jefe de Proyecto Álvaro Soliz, Magister en Ciencias de la Ingeniería mención Ingeniería de Procesos Minerales. La nueva celda presenta un novedoso sistema que permite determinar en línea la cinética de corrosión en superficies metálicas, en condiciones similares a las de un proceso industrial. Esta nueva técnica permite su aplicabilidad a la medición de la corrosión de diversos metales bajo condiciones controlables, en contraste con los procedimientos actuales en que el espécimen está restringido a un régimen de flujo único y con electrolito estancado.

Para insertar este proyecto y sus servicios en la industria minera y de la construcción de Chile, se requiere una inversión inicial de $76,6 millones, lo que permitirá generar un VAN superior a los $38 millones y con una TIR del 41%, en un horizonte de evaluación de 3 años.

1Fuente: Datos de National Association of Corrosion Engineers (NACE).

2 Fuente: Ana Carvajal, Presidenta de Corromin 2011, en entrevista “La importancia de prevenir antes de reparar”, Revista N° 366, diciembre de 2011, Minería Chilena.

3 Fuente: Edmundo Lira, Subgerente de ventas industriales de Ceresita, en entrevista “Protegiendo estructuras y materiales”, Revista N° 337 julio de 2009, Minería Chilena.

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126

PATENTE DE INVENCION

“Celda electroquímica de flujo anular para mediciones en línea”

Resumen

Sistema para llevar a cabo mediciones electroquímicas en línea con sólidos conductores como metales y minerales inmersos en un electrolito específico que comprende una celda de flujo anular, una bomba de dosificación de preferencia una bomba centrífuga accionada mediante un variador de frecuencia, un potenciostato, válvulas, un rotámetro o flujo-metro, una fuente de solución, líquido, fluido, flujo de electrolito o solución la cual puede provenir de una cañería o de un estanque de proceso, y un flujo de electrolito o circulación de fluido, que se aplica entre otros para la medición de la corrosión de aceros y la medición de potenciales de equilibrio en procesos de flotación, con claras ventajas frente a los sistemas conocidos debido a que su diseño de celda de flujo presenta gran versatilidad en cuanto a tamaño, caudal, rápido recambio de electrodo de trabajo y de referencia, estabilidad de mediciones y con alternativa de uso para sólidos electroactivos en forma de polvo, como en el caso de concentrado de minerales.

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127

PUBLICACIONES CIENTIFICAS

Se entrega documento en formato final de publicación:

PUBLICACION 1:

Revista: JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY

Título: “Corrosion of a carbon steel cylindrical band exposed to a concentrated NaCl solution flowing through an annular flow cell”

Referencia: Alvaro Soliz and Luis Cáceres, Corrosion of a carbon steel cylindrical band exposed to a concentrated NaCl solution flowing through an annular flow cell, J. Electrochem. Soc., 162 (8) (2015) C385-C395

PUBLICACION 2:

Revista: INTERNATIONAL JOURNAL OF ELECTROCHEMICAL SCIENCE

Título: “Corrosion Behavior of Carbon Steel in LiBr in Comparison to NaCl Solutions under Controlled Hydrodynamic Conditions”

Referencia: Alvaro Soliz and Luis Cáceres, Corrosion Behavior of Carbon Steel in LiBr in Comparison to NaCl Solutions under Controlled Hydrodynamic Conditions, Int. J. Electrochem. Sci., 10 (2015) 5673-5693.

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Journal of The Electrochemical Society, 162 (8) C385-C395 (2015) C3850013-4651/2015/162(8)/C385/11/$33.00 © The Electrochemical Society

Corrosion of a Carbon Steel Cylindrical Band Exposedto a Concentrated NaCl Solution Flowing throughan Annular Flow Cell

Alvaro Soliz∗,z and Luis Caceres

CICITEM, Centro de Investigacion Cientıfico y Tecnologico para la Minerıa, Departamento de Ingenierıa Quımica y

Procesos de Minerales, Universidad de Antofagasta, Antofagasta 1270300, Chile

The corrosion kinetics of a carbon steel cylindrical band concentrically positioned in an annular flow cell exposed to a flowof concentrated unbuffered NaCl solution was investigated using linear sweep voltammetry and scanning electron microscopytechniques. These experiments employed a set of conditions of high NaCl concentration and low Reynolds number values. Assuming

that the corrosion reaction is entirely under conditions of mixed charge transfer plus diffusion control mechanism on a bare metalsurface, the corrosion process and local surface pH were simulated by applying mixed potential theory and a mass and charge balanceon the metal surface, respectively. Changes in the corrosion rates, electrochemical parameter values for partial corrosion reactions,surface pH, and morphological attributes are discussed.© 2015 The Electrochemical Society. [DOI: 10.1149/2.0201508jes] All rights reserved.

Manuscript submitted November 10, 2014; revised manuscript received April 27, 2015. Published May 7, 2015.

Carbon steel corrosion by sodium chloride solutions have been ex-tensively studied under a large variety of conditions, mostly on planarsurfaces, such as planar coupons, circular planar, square planar, andthe Riso geometry.1–4 In general, the fluid flow through an annularconcentric geometry is observed for a large variety of engineeringapplications, such as heat exchangers,5,6 sensors and electrochemi-cal reactors,7,8 and other practical applications where fluid flow iscombined with mass transfer.9–11 In all cases, fluid motion and masstransfer have significant effects on the corrosion rate,9,12,13 particularlyserious corrosion problems are observed when metallic materials areexposed to electrolyte solutions with high concentration of salts.2 Un-der these conditions, the relationship between the salt concentration,the physical properties of the electrolyte and the oxidant agent, andthe hydrodynamic conditions are decisive in determining the corro-sion rate.14 Furthermore, for unbuffered solutions, the significant pHchange near the metallic surface is strongly related with the activ-ity changes of the protons H+ and hydroxyl OH− ions, which cannotoriously affect the corrosion process due to changes in the electro-chemical equilibrium potential of the different partial reactions.15–17

Despite its limited corrosion resistance, carbon steel is the mostwidely material used in engineering applications, such as marine ap-plications, chemical processing, and construction.13 However, the roleof the chloride ions in promoting highly localized corrosion by pittingis well-known.18 Typically, the presence of chloride ions and dissolvedoxygen in the electrolyte solution in many important industrial pro-cesses imposes the need to implement preventive measures to mitigatecorrosion. In particular, the corrosion rate in the presence of dissolvedoxygen exhibits three different behaviors as alternatives for the mixedcharge transfer and diffusion control mechanism that constitutes theglobal kinetics of this process: a) an oxygen-mass-transfer limitedcorrosion reaction, in which a negligible oxygen concentration at thesurface is accompanied by a maximum possible value of corrosion cur-rent density, known as limiting current density; b) a charge-transferlimited corrosion reaction, in which the oxygen concentration at thesurface, which is nearly equal to that of the bulk, is accompanied by alow value of corrosion current density; and c) a reaction under mixedcharge transfer and diffusion control mechanism producing an inter-mediate value of corrosion current density of situations (a) and (b).This last case has been described in many corrosion reports.14,11,18,19

In the case of the deaerated condition and neutral or alkaline pH,the activity of the protons H+ that participate in the electrochemicalreactions is low; thus, the water molecules will act as the electronacceptor.20

In this study, the corrosion kinetics behavior of a carbon steelcylindrical band concentrically positioned in an annular flow cell

∗Electrochemical Society Student Member.zE-mail: [email protected]

exposed to a continuous flow of a concentrated unbuffered NaCl so-lution was studied at various values of the NaCl concentration andthe fluid velocity. Experiments under deaerated conditions were per-formed to isolate and identify the influence of the dissolved oxygenduring the corrosion process. A novel annular 3-electrode cell wasused to perform linear sweep voltammetry measurements over a widerange of potentials. The electrochemical parameters were determinedfrom the experimental polarization curves using an electrochemicalkinetic model derived from the mixed potential theory. In addition, atheoretical analysis for the mass transfer by diffusion and convectionallowed for the evaluation of the surface pH changes at the workingelectrode. The influence of the fluid velocity and NaCl concentrationon the corrosion rate were correlated with the observed morphologicalattributes.

Experimental

Experimental device.— Experimental measurements were per-formed in an apparatus comprised of a centrifugal pump, a storagesolution vessel, a flow cell and a flowmeter, with the electrolyte circu-lating in a closed loop circuit, as shown in Fig. 1. The 3-electrode flowcell having axial symmetry is comprised of a plastic body, a cylindri-cal counter electrode and a cylindrical shaft containing the workingelectrode. The counter electrode was a 316L stainless steel pipe of25 cm2 internal surface (radius r0 = 1 cm), which was attached to theplastic body of the flow cell using plastic PVC fittings. The cylindricalshaft embedded a cylindrical band of AISI 1020 carbon steel of surfacearea of 3.45 cm2 (radius ri= 0.55 cm). The electrical connection forthe working electrode was a stainless steel 316L rod (3 mm diameter)pierced through the central axis of the cylindrical shaft. The chemi-cal compositions of the carbon steel and the stainless steel are listedin Table I. The reference electrode was located at 4 mm upstreamof counter electrode to minimize the interference with a developedfluid flow through the annular section, while obtaining a low ohmicpotential drop between the working and reference electrode. The flowat the entrance of the flow cell is homogeneously distributed suchthat the flow disturbance has axial symmetry. Given the low Reynoldsnumber (lower than 3000), a fast attenuation of this flow disturbanceis expected.21 For the experimental annular geometry, a very goodcoincidence between the average velocity radial profile (at the axialposition of the metal specimen), obtained from a computational fluiddynamic numerical simulation in the commercial software ANSYS15.0,59 with the explicit solution for the velocity profile for a fullydeveloped laminar flow,54 supports this hypothesis.

Silicone tubing and epoxy resin were used for circuit intercon-nections and leak proof sealing, respectively. All materials were non-metallic with the exception of the counter and working electrode. Thephysical design criteria for a flow cell were a short distance between

) unless CC License in place (see abstract).  ecsdl.org/site/terms_use address. Redistribution subject to ECS terms of use (see 128.122.253.228Downloaded on 2015-05-21 to IP

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C386 Journal of The Electrochemical Society, 162 (8) C385-C395 (2015)

Figure 1. Diagram of the flow circuit: (A) Centrifugal pump, (B) Storagetank, (C) Annular cell, (D) Flow-meter, (E) Counter electrode, (F) Workingelectrode, (G) PVC plastic bars, (H) Electrical connection for the workingelectrode, (I) Reference electrode.

the counter electrode and working electrode and a homogeneous elec-tric field between the counter electrode and working electrode. Thedesign of the annular concentric configuration is characterized bythe equivalent diameter of deq = 2(r0 − ri )= 0.9 cm and the en-trance length measured from the edge of the specimen surface ofLent= 10 cm.

Experimental conditions.— Experimental runs considered a rangeof a mean fluid velocity values u (measured in the annular section)from 0.06 to 0.29 m s−1 for three electrolyte concentrations of 1, 2and 4 M NaCl. All solutions were prepared using analytical gradeNaCl from Merck (Chile) and distilled water. The measured pH ofthe 1 to 4 M NaCl solutions varied between 6.6 and 6.9. Prior to eachtest, the working electrode was polished sequentially using siliconcarbide paper up to 1000 grit and was rinsed with distilled waterand acetone. In addition, the solution was bubbled with high purityair during 20 min to maintain an oxygen saturation condition in thesolution. The dissolved oxygen concentrations were measured usingan optical sensor Orion 3-Star Plus with a resolution of 0.01 and aprecision of ±0.2 mg L−1, giving values of 0.21, 0.166 and 0.149 molm−3, for solutions of 1, 2 and 4 M NaCl, respectively, at 22◦C. Priorto the experimental measurements, the solution was recirculated for

5 min without the working electrode to ensure a complete removal ofair bubbles from the system. Once the air bubbles were absent, thepump was temporarily stopped to insert the working electrode.

The electrochemical measurements were performed using aVOLTALAB 40 system (Radiomer Analytical) with a potentio-stat/galvanostat PGZ301. An Ag/AgCl (sat. KCl) reference electrodewas used to measure the potential of the working electrode. All poten-tials reported in this work are relative to standard hydrogen electrode(SHE). Linear sweep voltammetry measurements were swept from−900 mVSHE to −150 mVSHE at a potential scan rate of 1 mVs−1. Morphological inspection of corrosion products formed on thecarbon steel was performed using a scanning electron microscope(SEM) (Zeiss Leo 1550 FE-SEM). To confirm the contribution ofthe dissolved oxygen in the corrosion process, electrochemical mea-surements were performed involving removal of the dissolved oxygenfrom the solution by bubbling nitrogen for 30 minutes. Using thisapproach, the measured dissolved oxygen concentration value waslower than 0.1 mg L−1.

Estimation of the kinetic and corrosion parameters from polariza-tion data.— Iron corrosion in a near-neutral aerated NaCl solution iscounterbalanced primarily by the oxygen reduction reaction (ORR)and, to a minor extent, by water reduction reaction (WRR) (also knownas hydrogen evolution reaction),17,20,22–24 which are represented as:

Anodic reaction : Fe → Fe+2 + 2e− [1]

Cathodic reactions : O2 + 2H2 O + 4e− → 4O H− [2]

2H2 O + 2e− → H2 + 2O H− [3]

Assuming a quasi-stationary corrosion kinetics in a voltammetric scan,in the context of the mixed potential theory,25 the total current densitycan be expressed in terms of partial current densities as:

i = iFe + iO2+ iH2 O [4]

where iFe, iO2, and iH2 O are the partial current densities for the iron

oxidation, ORR, and WRR, respectively.The kinetic expressions for iron oxidation and WRR can be ad-

equately described by a pure charge transfer control mechanism,whereas in the kinetic expression for the ORR, a mixed charge trans-fer and diffusion control is considered. For the mass transfer term,a linear diffusion of oxygen molecules from the bulk solution to theelectrode surface is assumed:18,20,24

iFe = i0,Fe exp

[

2.303(E − Eeq,Fe)

bFe

]

[5]

iO2= i0,O2

exp

[

2.303(E − Eeq,O2)

bO2

] (

1 −iO2

il,O2

)m

[6]

iH2 O = i0,H2 O exp

[

2.303(E − Eeq,H2 O )

bH2 O

]

[7]

where E is the working electrode potential, i0,O2, i0,H2 O and i0,Fe are

the exchange current densities for ORR, WRR and iron oxidation,respectively, il,O2

is the limiting current density for the oxygen diffu-sion, bO2

, bH2 O and bFe are the Tafel slope for ORR, WRR and ironoxidation, respectively, Eeq,O2

, Eeq,H2 O and Eeq,Fe are the equilibriumpotentials for the ORR, WRR and iron oxidation, respectively, and mis the reaction order of the ORR. A first order kinetic for ORR was

Table I. Chemical composition (wt%) of AISI 1020 carbon steel and AISI 316L stainless steel.

Steel C Si Mn P S Cr Mo Ni Fe

AISI 1020 0.20 0.15 0.3 ≤0.04 ≤0.05 ≤0.001 ≤0.001 ≤0.001 Balance

AISI 316L 0.035 1.0 2.0 0.04 0.03 16.0 2.0 10.0 Balance

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Journal of The Electrochemical Society, 162 (8) C385-C395 (2015) C387

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300

-4

-2

0

2

4

61M NaCl

2M NaCl

4M NaCl

i (

A m

-2)

E (mV/SHE)

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300-3

-2

-1

0

1B

1M NaCl

2M NaCl

4M NaCl

log

i (A

m-2)

E (mV/SHE)

Figure 2. Linear (A) and Tafel polarization curves (B) for carbon steel elec-trodes immersed in deaerated solutions of 1, 2 and 4 M NaCl, at a fluid velocityof 0.29 m s−1 and a scan rate of 1 mV s−1.

considered.20,26,27 Under deaerated conditions, the oxygen reductionterm of Eq. 4 is excluded.

The corrosion potential Ecorr and corrosion current density icorr

values were determined from Eqs. 4–7 under the null current densitycondition. To simplify the superposition model, the reverse electro-chemical reactions in Eqs. 1–3 were neglected. This simplificationis valid when the corrosion potentials are very far from the equi-librium potentials of each electrochemical reaction.28,29 Using theNernst equation, the calculated equilibrium potentials at 22◦C andpH ∼ 6.7 were −616 mVSHE, 828 mVSHE and −403 mVSHE for ironoxidation, ORR and WRR, respectively. The kinetics and corrosionparameters were calculated using a non-linear regression coupled toan error minimization procedure performed on the experimental andfitted values.18,30 The root mean square error was used as an index forconvergence.

Results and Discussion

Experimental under deaerated conditions.— Figure 2 shows thelinear polarization curves and Tafel plots for carbon steel immersed inan axial flow of deaerated solution at different NaCl concentrations.

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300

-4

-2

0

2

A

icorr

Ecorr

i (

A m

-2)

E (mV/SHE)

iexp

ifit

iFe

iH2O

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300-3

-2

-1

0

1B

Ecorr

log

i (A

m-2)

E (mV/SHE)

iexp

ifit

iFe

iH2O

icorr

Figure 3. Synthesis of partial polarization curves for carbon steel electrodesimmersed in deaerated solution of 2 M NaCl at a fluid velocity of 0.29 m s−1

and a scan rate of 1 mV s−1. Linear (A) and Tafel (B) polarization curves.

Figure 3 shows the experimental polarization curves in addition tothe partial and total synthesized polarization curves calculated fromEqs. 5 to 7, using kinetics parameters listed in Table II. A notably goodagreement between the experimental and fitted polarization curves wasobserved for all experiments.

The charge transfer mechanism is visually represented by a lin-ear trend for both the cathodic and anodic branch in the Tafel plot(Fig. 3). The cathodic Tafel slope bH2 O and the exchange currentdensity i0,H2 O do not exhibit a significant change with NaCl concen-tration (Table II), in contrast with the anodic Tafel slope (bFe), whichexhibits higher values at higher NaCl concentrations with a notoriousdeviation from a linear trend at the extreme anodic potential. Thisdeviation can be attributed to a mild passivation process that occursfrom Fe(OH)2 precipitation over the anodic sites.23,31,32 Under this sit-uation, the change of icorr with NaCl concentration is restricted by thepartial polarization curve for the WRR. The slight shift of the corro-sion potential toward more negative values could be associated to thesurface pH dependency with NaCl concentration, which is explainedby a theoretical analysis in potentiodynamic measurement under flowconditions section.

Table II. Electrochemical and corrosion parameters for carbon steel in deaerated NaCl solutions at a fluid velocity of 0.29 m s−1.

Iron oxidation Water reduction

NaCl (M) bFe (mV dec−1) i0,Fe (A m−2) bH2 O (mV dec−1) i0,H2 O (A m−2) Ecorr (mVSHE) icorr (A m−2)

1 174 2.92 × 10−1 −144 −5.37 × 10−3 −639 0.23

2 219 3.27 × 10−1 −151 −6.27 × 10−3 −645 0.25

4 265 3.37 × 10−1 −149 −5.66 × 10−3 −650 0.26

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C388 Journal of The Electrochemical Society, 162 (8) C385-C395 (2015)

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-15

-10

-5

0

5

10

15 1M NaCl

2M NaCl

4M NaCl

i (

A m

-2)

E (mV/SHE)

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-3

-2

-1

0

1

1M NaCl

2M NaCl

4M NaCl

log

i

(A m

-2)

E (mV/SHE)

B

Figure 4. Linear (A) and Tafel (B) polarization curves for carbon steel elec-trodes immersed in stagnant solutions of 1, 2 and 4 M NaCl at a scan rate of 1mV s−1.

Experimental under aerated conditions.— During the voltammet-ric scan under an air sealing solution condition, the measured depletionof dissolved oxygen concentration due to the ORR reaction was lessthan 0.1 mg L−1 for all experimental runs. This depletion is assumedto be of no significance in the corrosion kinetic behavior.

Figures 4 to 6 present the potentiodynamic polarization measure-ments at different fluid velocities and NaCl concentrations, includingstagnant conditions. During the cathodic potential scan, the currentdensity starts at high negative values, exhibits a planar plateau between−700 mVSHE and −500 mVSHE, and finally gradually converges tozero current density at the potential of Ecorr . The decreasing part ob-served at highly negative potentials is associated with the water reduc-tion kinetics, and the planar plateau indicates the maximum absolutecurrent density for the ORR reaction. This plateau is due to oxygendiffusion from the bulk solution to the metallic surface, expressed asthe limiting current density. Figure 7 shows the experimental polariza-tion curve for 2 M NaCl at a fluid velocity of 0.29 m s−1 and also thecorresponding synthesized partial and total polarization curves calcu-lated from electrochemical parameters listed in Table III. The resultsexhibit a very good agreement between experimental and fitted data.

Corrosion under stagnant conditions.— Figure 4 shows the linearpolarization curves and the Tafel plots for carbon steel under stagnantaerated solutions at different NaCl concentrations. From this figure, itis clear that the rate of ORR is strongly limited by the concentration ofsalt in solution, in the way that an increase in the NaCl concentrationleads to a notorious decrease in the planar plateau attributed to ORRat the cathodic branch. This behavior is much more evident at theconcentration of 4 M NaCl, where this plateau is visually non-existent

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-15

-10

-5

0

5

10

15 0.06 ms

-1

0.12 ms-1

0.17 ms-1

0.23 ms-1

0.29 ms-1

i (

A m

-2)

E (mV/SHE)

A1

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0.06 ms-1

0.12 ms-1

0.17 ms-1

0.23 ms-1

0.29 ms-1

log

i (A

m-2)

E (mV/SHE)

B1

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-15

-10

-5

0

5

10

15A2 0.06 ms-1

0.12 ms-1

0.17 ms-1

0.23 ms-1

0.29 ms-1

i (

A m

-2)

E (mV/SHE)

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5B2

0.06 ms-1

0.12 ms-1

0.17 ms-1

0.23 ms-1

0.29 ms-1

log

i (A

m-2)

E (mV/SHE)

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-15

-10

-5

0

5

10

15A30.06 m s

-1

0.12 m s-1

0.17 m s-1

0.23 m s-1

0.29 m s-1

i (

A m

-2)

E (mV/SHE)

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5B3

0.06 ms-1

0.12 ms-1

0.17 ms-1

0.23 ms-1

0.29 ms-1

log

i (A

m-2)

E (mV/SHE)

Figure 5. Linear (A) and Tafel (B) polarization curvesfor carbon steel electrodes immersed in solutions of 1M (1), 2 M (2) and 4 M (3) NaCl for different fluidvelocities at a scan rate of 1 mV s−1.

) unless CC License in place (see abstract).  ecsdl.org/site/terms_use address. Redistribution subject to ECS terms of use (see 128.122.253.228Downloaded on 2015-05-21 to IP

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Journal of The Electrochemical Society, 162 (8) C385-C395 (2015) C389

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-15

-10

-5

0

5

10

15 1M NaCl

2M NaCl

4M NaCl

i (

A m

-2)

E (mV/SHE)

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

1M NaCl

2M NaCl

4M NaCl

log

i (A

m-2)

E (mV/SHE)

B

Figure 6. Linear (A) and Tafel (B) polarization curves for carbon steel elec-trodes immersed in aerated solutions of 1, 2 and 4 M NaCl at a fluid velocityof 0.17 m s−1 and a scan rate of 1 mV s−1.

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20A

icorr

iexp

ifit

iO2

iFe

iH2O

i (

A m

-2)

E (mV/SHE)

Ecorr

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

icorr

Ecorr

log

i (A

m-2

)

E (mV/SHE)

iexp

ifit

iO2

iFe

iH2O

B

Figure 7. Synthesis of partial polarization curves for carbon steel electrodesimmersed in aerated solution of 2 M NaCl at a fluid velocity of 0.29 m s−1 anda scan rate of 1 mV s−1. Linear (A) and Tafel (B) polarization curves.

Table III. Electrochemical and corrosion parameters for carbon steel in NaCl solutions under different hydrodynamic conditions.

Iron oxidation Water reduction Oxygen reduction

u bFe i0,Fe bH2 O i0,H2 O bO2 i0,O2 |il,O2 | Ecorr icorr

NaCl (M) (ms−1) (mV dec−1) (A m−2) (mV dec−1) (A m−2) (mV dec−1) (A m−2) (A m−2) (mVSHE) (A m−2)|il,O2

|

icorr

1 0 115 5.98 × 10−3 −122 −1.01 × 10−3 −218 −1.07 × 10−6 1.53 −409 0.38 4.03

0.06 57 6.81 × 10−8 −120 −1.22 × 10−3 −241 −2.18 × 10−4 5.99 −189 2.25 2.66

0.12 67 3.44 × 10−6 −167 −1.34 × 10−2 −264 −7.02 × 10−4 6.74 −213 3.21 2.10

0.17 73 1.12 × 10−5 −194 −3.36 × 10−2 −269 −1.01 × 10−3 7.47 −213 3.75 1.99

0.23 76 6.64 × 10−5 −189 −3.20 × 10−2 −259 −8.37 × 10−4 7.84 −245 4.74 1.65

0.29 68 2.69 × 10−5 −193 −4.37 × 10−2 −297 −2.98 × 10−3 8.36 −258 5.15 1.62

Av. 68 2.16 × 10−5−173 −2.48 × 10−2

−266 −1.15 × 10−3 7.28 −224 3.82 2.01

2 0 133 2.01 × 10−2 −160 −9.46 × 10−3 −238 −3.20 × 10−5 0.51 −431 0.49 1.04

0.06 49 2.10 × 10−8 −176 −1.91 × 10−2 −118 −2.58 × 10−9 5.14 −232 1.68 3.06

0.12 58 5.02 × 10−7 −176 −1.91 × 10−2 −168 −2.45 × 10−6 5.70 −229 2.63 2.17

0.17 67 8.70 × 10−6 −192 −3.51 × 10−2 −145 −2.99 × 10−7 6.19 −244 3.30 1.88

0.23 65 9.24 × 10−6 −210 −5.71 × 10−2 −138 −1.23 × 10−7 6.60 −251 3.67 1.80

0.29 63 1.62 × 10−5 −201 −5.43 × 10−2 −140 −1.57 × 10−7 6.93 −273 4.30 1.61

Av. 60 6.94 × 10−6−191 −3.70 × 10−2

−142 −6.07 × 10−7 6.11 −246 3.12 2.10

4 0 108 6.72 × 10−3 −143 −5.02 × 10−3 – – – −532 0.04 –

0.06 68 1.90 × 10−5 −174 −2.23 × 10−2 −89 −4.66 × 10−13 3.59 −288 1.25 2.87

0.12 73 4.76 × 10−5 −178 −2.31 × 10−2 −89 −1.23 × 10−12 3.98 −282 1.77 2.25

0.17 77 8.76 × 10−5 −183 −2.56 × 10−2 −126 −1.21 × 10−8 4.41 −271 2.69 1.64

0.23 74 8.20 × 10−5 −187 −3.34 × 10−2 −120 −4.23 × 10−9 4.84 −280 2.89 1.67

0.29 65 2.70 × 10−5 −169 −1.92 × 10−2 −118 −3.15 × 10−9 5.03 −284 3.12 1.61

Av. 71 5.27 × 10−5−178 −2.47 × 10−2

−108 −3.89 × 10−9 4.37 −281 2.34 2.01

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C390 Journal of The Electrochemical Society, 162 (8) C385-C395 (2015)

(Fig. 4B). Accordingly, this NaCl concentration can be consideredas a threshold value, where the ORR is positively involved in thecarbon steel corrosion under stagnant conditions. The decrease inthe diffusion plateau is attributed to the dependence of the physicalproperties of viscosity, oxygen diffusivity and oxygen solubility ofthe solution with NaCl concentration, which governs the dissolvedoxygen transfer from the bulk solution to the metal surface.14,33 Thus,under stagnant condition in highly concentrated NaCl solutions, thecorrosion kinetic analysis can be modeled considering only the WRRand the iron oxidation reaction. The cathodic branch at potentials morenegative than −800 mVSHE exhibits a slight increase in the absolutecurrent density values with increasing sodium chloride concentration.This effect is not observed under rotating motion of the rotating discelectrode.26

In the anodic branch, the vertical curve displacement with increas-ing NaCl concentration observed in Fig. 4 occurs as a result of aprogressive decrease of the oxygen reduction plateau, while the ironoxidation reaction remains unaltered. Note that this behavior origi-nates from an intermediate maximum icorr value of 0.49 A m−2 at 2 MNaCl because at 4 M NaCl, the ORR is negligible and the corrosionprocess is controlled by the WRR. At 4 M NaCl, the significantlylower icorr value of 0.04 A m−2 than those observed for anaerobicconditions ( icorr= 0.26 A m−2, see Table II) indicates whether theiron oxidation or the WRR is inhibited. One possibility is that theactivity of WRR is precluded by hydrogen bubbles that accumulatein the metal surface because of the physical conditions at 4 M NaCland the absence of a fluid motion to remove them from the metallicsurface. Another effect observed for both aerated and stagnant exper-iments under increasing NaCl concentration is the Ecorr shift towardmore negative potentials.

Potentiodynamic measurement under flow conditions.— Figures 5and 6 show the linear polarization curves and Tafel plots obtained fora carbon steel immersed in aerated aqueous solutions under differentfluid velocities and NaCl concentrations. A particular pattern for thechange of the polarization curves with changes in the fluid velocityand NaCl concentration in solution is observed. Accordingly, for so-lutions of 1 M and 2 M NaCl at fluid velocities lower than 0.17 ms−1, the measured polarization curves show a common intersectionof the potential-current density region at a potential of −250 mVSHE.Additionally, an increase in the cathodic current density with the fluidvelocity is observed at more negatives potentials, while at more posi-tive potentials, an opposite effect is observed (Figs. 5-A1 to 5-B2). At4 M NaCl, this intersection region is barely observed at high anodiccurrent density values because of the significant noise in the polar-ization curves (Figs. 5-A3 and 5-B3). At a fixed velocity, the changeof the polarization curve with NaCl concentration can be visualizedas an upward parallel displacement of the curve with increasing con-centration of the NaCl solution (Fig. 6A). In this case, no intersectionin the polarization curves is observed. This pattern was maintainedwhen the fluid velocity increases up to 0.29 m s−1, whereas for theresults in deaerated solutions, this pattern was not observed (Fig. 2A).This variational pattern is a response to a combination of factors,such as oxygen diffusion kinetics, charge transfer mechanism, pittingcorrosion and pit passivation.

In general terms, the polarization curve for aerated solution canbe approximately synthesized by linear superimposition of the polar-ization curves for deaerated solution and partial oxygen reduction.Thus, under the influence of the fluid velocity, the shifting to moreanodic potentials observed for the Ecorr values (Fig. 5) is a resultof an increase on the absolute value of the limiting current density,which is due to the increase in the oxygen concentration at the metal-lic surface. In contrast, at increasing NaCl concentration values, thevalue of Ecorr is shifted toward a cathodic direction (Fig. 6). Thesechanges are attributed to mass transport of the reactant and productsat high fluid velocity and the chloride concentration in solution. Forthe ORR, an increase in fluid velocity leads to an increase in thelimiting current density due to a higher mass transfer of oxygen tothe metal surface. The increase in the supply of oxygen is a result

of a decrease in the diffusion layer thickness, which means a shorterpath for the flow the oxygen molecules from the bulk solution to theworking electrode surface.12 In contrast, the decrease in the limitingcurrent density with the chloride concentration is due to variationsin the physical properties that occur at increasing NaCl concentra-tion, such as lower oxygen solubility and diffusivity and higher fluidviscosity of the solution (Fig. 6), thereby restricting the oxygen trans-ference to the working electrode surface. The noise fluctuations thatare mainly observed in the cathodic branch (Fig. 5) can be attributedto the influence of the surface treatment on the ORR, which alter theshape and distribution of imperfections and active sites on the elec-trode surface.34–36 This behavior is combined with the high activity ofchloride ions, causing an increase in the formation of numerous pitsand a premature passive layer breaking.32–34 The fact that no noise isobserved in non-aerated experiments confirms that the oxygen reduc-tion reaction process is the source of the noise peaks. According tothe evidence from previous works,22,26,37 noise peaks are not observedin polarization curves measured on carbon steel immersed in NaClsolutions with concentration lower than 1 M.

The kinetic parameters for aerated solutions listed in Table III ex-hibit distinctive values and tendencies. The Tafel slope bFe presentingaverage values of 70 mV dec−1 do not significantly change with chlo-ride concentration and fluid velocity, and also decrease in comparisonwith those for deaerated solutions and stagnant conditions (Tables IIand III). The Tafel slope bO2

present mean values of −266, −142 and−108 mV dec−1 for 1, 2 and 4 M NaCl, respectively. Different the-ories have been proposed to explain the oxygen activity dependencywith NaCl concentration in terms of Tafel slope variations.22,38–40 Inthe present study, due to the high content of non-reactive species (Cl−

and Na+ ions), changes in bO2can be explained in terms of the sur-

face coverage with adsorbed oxygen, which depends on the natureand structure of the passive film and/or the presence the inhibitingspecies.22,38,41 In addition to the low oxygen content in solution, theincrease in NaCl content leads to an increase in the adsorption ofchloride ions on the electrode surface, which causes a reduction ofthe available active sites for the oxygen adsorption and O-O bondbreaking. From the literature, is the following are accepted: a) for lowvalues of |bO2

|, the adsorption of oxygen molecules is according tothe Temkin isotherm due to a high coverage of oxides or adsorbedintermediate inert species and b) for high values of |bO2

|, oxygenmolecules are adsorbed onto the metallic surface according to theLangmuir isotherm, which suggests a low coverage of oxides or ad-sorbed intermediate species on the metallic surface.41,42 The i0,O2

values obtained in this work are significantly smaller in comparisonto those reported in the literature for a rotating disc electrode.20,26 Forthe bH2 O presenting mean values between −190 to −170 mV dec−1,which are similar to those reported in acid and neutral diluted NaClaqueous solutions,22,26,43 no appreciable influence of the fluid velocityand the NaCl concentration are observed. The approximate constantvalues of bH2 O suggests that the water reduction mechanism is notinfluenced by the hydrodynamic conditions and the NaCl concentra-tion. No reports for the exchange current density were found in theliterature for the corrosion of carbon steel in an annular flow cell athigh NaCl concentrations. For il,O2

the solution obtained from Ghoshand Upadhyay44 was found to be the model available in the litera-ture that best fit the experimental il,O2

values for annular geometries(Fig. 8). For this case, the limiting current density is determined fromthe Sherwood number (Sh = il,O2

deq/nFcbO2

DO2) for a relation ratio

of k = ri/ro= 0.55:

il,O2= 3.221cb

O2DO2

nF

[

u

DO2deq L

]1/3

[8]

where u is the mean velocity through the annular section, cbO2

is theoxygen dissolved concentration in the bulk solution, F is the Faradayconstant ( F= 96485 A s mol−1), n is the number of transferredelectrons, L is the length of the carbon steel specimen, and DO2

is thediffusivity of the oxygen. The physical parameters and the dissolvedoxygen concentration values are listed in Table IV.

) unless CC License in place (see abstract).  ecsdl.org/site/terms_use address. Redistribution subject to ECS terms of use (see 128.122.253.228Downloaded on 2015-05-21 to IP

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Journal of The Electrochemical Society, 162 (8) C385-C395 (2015) C391

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Exp: 5.463

Eq. 8: 6.443

Exp: 6.605

Eq. 8: 6.851

Exp: 8.631

Eq. 8: 8.827

1 M NaCl

2 M NaCl

4 M NaCl

i l,O

2(A

m-2

)

û1/3

(m s-1)

Slope:

Figure 8. Limiting current density variation with flow velocity for carbonsteel electrodes immersed in aerated solutions of 1 M NaCl (�), 2 M NaCl(�) and 4 M NaCl (●). Experimental values and data calculated values usingEq. 8 are shown.

Influence of NaCl concentration and fluid velocity on the corro-sion current density and the corrosion potential.— The parametersof the corrosion kinetics, including the corrosion current density andthe corrosion potential, were determined by fitting the experimentalpotential-current density data as described in Estimation of the kineticand corrosion parameters from polarization data section. The qualityof the fit can be visually appreciated in Figs. 3 and 7. The valuesof these corrosion parameters are tabulated in Tables II and III fordeaerated and aerated conditions, respectively. The corrosion currentdensity values for deaerated solutions at the maximum fluid velocitywas in the range of 0.23 to 0.26 A m−2 in contrast to the corrosion ratevalues for aerated solutions at the same fluid velocity, which exhibitedvalues higher than 3.12 A m−2. These results demonstrate the stronginfluence of the dissolved oxygen on the corrosion process.

To visualize the influence of the flow rate and the NaCl concentra-tions in aerated solutions, the values of icorr were plotted versus themean fluid velocity at different NaCl concentrations in Fig. 9. Theseresults shows that at constant NaCl concentration, the increase in thefluid velocity leads to an increase in the corrosion rates, which is re-lated to a decrease in the diffusion layer thickness due to the higherfluid velocity through the specimen surface.15 According to previouscorrosion studies of carbon steel in NaCl solutions with concentrationslower than 1 M NaCl,22,37 the icorr values increases with NaCl concen-tration up to a concentration of 0.5 M, where a maximum icorr occurs,followed by a decrease in icorr at higher NaCl concentrations. In thepresent research, this tendency extrapolated to higher concentrationsis confirmed (Fig. 9). This behavior can be attributed to a decreasein the oxygen solubility due at the salting-out effect at high salinitysolutions,14 causing a decrease in the mass transport from the bulk so-

0.0 0.1 0.2 0.31

2

3

4

5

6

icorr

= 6.9 û0.60

icorr

= 8.8 û0.57

1M NaCl

2M NaCl

4M NaCl

i co

rr(A

m-2

)

û (m s-1)

icorr

= 9.8 û0.52

Figure 9. Experimental (marks) and fitted (line) corrosion current densityvalues for carbon steel immersed in aerated solutions of 1 M NaCl (�), 2 MNaCl (�) and 4 M NaCl (●) at different fluid velocities. Data determined fromthe polarization curves at a scan rate of 1 mV s−1 using the superpositionmodel. Data from Table II.

lution to the metallic surface. The observed decrease in the corrosionrate at high salinity solutions is in agreement with studies performedby Jiabin Han and co-workers14 using concentrated solutions up to20 wt% NaCl.

The icorr dependence on the fluid velocity is described by thefollowing expression:45,46

icorr = au p [9]

where, a and p are constants determined experimentally.The exponent p value depends on the corrosion mechanism and

the hydrodynamic conditions.45,46 Experimental p values for Eq. 9fitted from Fig. 9 data were 0.52, 0.57 and 0.6 for concentrationsof 1, 2 and 4 M NaCl, respectively. These values confirm a kineticmechanism under a mixed charge transfer and diffusion control for thecorrosion process. Furthermore, because of the low variation value ofthe exponent p with NaCl concentration, the degree of incidence ofthe oxygen mass transfer on the corrosion kinetic behavior should notchange significantly at increasing NaCl concentrations. This degreeof incidence can be visualized from the |il,O2|/icorr values (Table III),which changes from 4 (low incidence) to 1.5 (high incidence). Onthis basis, a significant increase of the degree of incidence of theoxygen mass transfer in the corrosion process is observed at higherfluid velocities.

Figure 10 shows the corrosion potentials versus fluid velocity forall NaCl concentrations studied. From this figure, the corrosion po-tentials values are less than −220 mVSHE; under such conditions, themagnetite is preferentially formed.47,48 Note that the increase in thechloride concentration shifts the value of Ecorr toward more nega-tive potentials, which indicates that the resistance of the specimen to

Table IV. Physical properties of the NaCl solution, the oxygen dissolved concentration at 22◦C, and the Reynolds number.

NaCl concentration, cNaCl (M) 1 2 4

Solution density,33 ρ, (kg m−3) 1036.40 1072.30 1143.70

Solution viscosity,33 µ (Pa s) 9.750 × 10−4 1.080 × 10−3 1.390 × 10−3

Oxygen concentration, cbO2

(mol m−3) 0.215 0.187 0.149

Oxygen diffusivity,50 DO2 (m2 s−1) 1.90 × 10−9 1.60 × 10−9 1.55 × 10−9

Hydroxyl ion diffusivity,55 DO H− (m2 s−1) 5.04 × 10−9 4.72 × 10−9 3.90 × 10−9

Mean fluid velocity, u (m s−1) Re = ρudeq/µ

0.06 551 516 426

0.12 1102 1033 853

0.17 1652 1549 1279

0.23 2203 2065 1705

0.29 2754 2581 2132

) unless CC License in place (see abstract).  ecsdl.org/site/terms_use address. Redistribution subject to ECS terms of use (see 128.122.253.228Downloaded on 2015-05-21 to IP

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C392 Journal of The Electrochemical Society, 162 (8) C385-C395 (2015)

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30-350

-300

-250

-200

-150

Eco

rr (

mV

/SH

E)

û (m s-1)

1M NaCl

2M NaCl

4M NaCl

Figure 10. Dependence of the corrosion potential on the fluid velocity forcarbon steel immersed in NaCl solutions of concentrations 1 M NaCl (�), 2M NaCl (�) and 4 M NaCl (●). Data determined from polarization curves ata scan rate of 1 mV s−1 using the superposition model.

corrosion decreases with an increase in the chloride ion concentration.This lower resistance was also observed for corrosion experiments indeaerated solutions (Fig. 2). Moreover, corrosion potentials exhibit adecreasing trend with fluid velocity. This behavior can be explained interms of an increase in the surface shear stress that is generated froman increase in fluid velocity, which, in turn, implies a higher risk ofdamage and loss of the oxide film49 or corrosion propagation along theflow direction. The morphological inspection of a corroded surfacesupports these facts (see details in the next section). Another obser-vation is that the degree of incidence of the fluid velocity influenceon the potential corrosion decreases with an increase in the chlorideconcentration in solution up to 4 M NaCl, where the Ecorr valuesremain approximately constant for all fluid velocities. These Ecorr

values associated with the low icorr values can be explained by theformation of a protective compact oxide film with low solubility. Animportant aspect that occurs during a corrosion process in unbufferedsolutions is the relationship that exists between the surface pH withthe transport of the products and the reactant for the cathodic reactionsat the metallic surface at different fluid velocities. This result can berelevant to the stability of the oxide film deposited onto the specimensurface.

The surface pH distribution at the boundary layer.— To determinethe changes on the effective surface pH, we performed a theoreticalanalysis of the mass transport of hydroxyl ions generated from theORR and WRR. The mathematical calculus in this work is limitedto an annulus channel, as shown in Fig. 1. Some considerations andassumptions were performed to simplify the analysis of the system: theactivities of the hydroxyl, hydrogen protons and dissolved oxygen insolution are proportional to their respective concentrations; becausethe excess of the supporting electrolyte and the presence of inertions (Cl− and Na+) do not alter the measured current signal, thecontribution due to a migration effect can be negligible. On the basisof the Reynolds number ranging between 426 and 2754 (Table IV),the flow regime was laminar to transient with an estimated thresholdof 0.23 m s−1. In the present study, we consider that the fluid flowdoes not lose stability at Re = 2754 and that its undulations arenegligible close to the metallic surface maintaining a nearly fullydeveloped profile. Thus, the fluid flow will maintain a homogeneousand constant concentration of species j in the bulk up to the doublelayer thickness adjacent to the electrode surface.50

Under these considerations and for a steady state corrosion process,the Nernst-Planck equation to the total flux of hydroxyl ions can bewritten as:15

JO H− = DO H−

∂csO H−

∂r+ uzc

bO H− [10]

where uz is the fluid velocity through of the vertical z coordinate,cb

O H− and csO H− are the hydroxyl concentrations in bulk solution and

at the metallic surface, respectively, r is the radian coordinate, andD

O H− is the diffusivity of the hydroxyls ions.From the 1:4 molar relationships between oxygen and hydroxyl

ions in reaction 2 and the 1:1 molar relationships between water andhydroxyl ions in reaction 3, the mass transfer by diffusion in Eq. 10,for the respective partial reactions can be solved from Fick’s law.51

The flux of hydroxyl ions from the ORR (reaction 2) is given byJO H−|O R R = −4JO2

; thus, the hydroxyl ions flux can be describedas:51

JO H−|O R R = DO H−

∂csO H−

∂r+

csO H−

cO H−,0

+ cO2,0

(JO H−|O R R + JO2)

[11]Combining the flux relation between oxygen and hydroxyl ions withEq. 11 and integrating the resulting equation for the boundary condi-tions of the effective Nernst diffusion layer thickness (δe f f ) associatedat hydroxyl concentrations in the bulk solution, the flux of hydroxylions from the ORR is expressed as:

JO H−|O R R =4DO H−

3δe f f

(cO H−,0 + cO2,0)

× ln

[

4(cO H−,0

+ cO2,0) − 3csO H−

4(cO H−,0

+ cO2,0) − 3cbO H−

]

[12]

For the contribution of hydroxyl ions from the WRR (reaction 3),the flux relationship between water and hydroxyl ions is expressed asJO H−|water = −JH2 O ; as a result, the flux can be written as:

JO H−|water = DO H−

∂csO H−

∂r+

csO H−

cO H−,0

+ cH2 O,0

(

JO H−|water + JH2 O

)

[13]By combining the flux relationship between hydroxyl ions and watermolecules with Eq. 13 and integrating between the boundary condi-tions used in solving Eq. 11, the flux of hydroxyl ions from the WRRcan be calculated from the following equation:

JO H−|water =DO H−

δe f f

(

cbO H− − cs

O H−

)

[14]

where cO2,0, cO H−,0 and cH2 O,0 are the initial concentrations of dis-solved oxygen, hydroxyl ions and water concentration in the bulksolution, respectively.

The effective Nernst diffusion layer was calculated from theweighted average based on the bulk concentrations of dissolved oxy-gen and hydroxyl ions, and the individual thickness diffusion layersare calculated according to the following equations:20,24,52,53

δO H− = 1.9L1/4d1/4eq u−1/2 D

1/3

O H−v1/6 [15]

δO2=

F DO2cb

O2∣

∣il,O2

[16]

δe f f =cb

O H−δO H− + cbO2

δO2

cbO H− + cb

O2

[17]

where v is the kinematic viscosity (ν = µ/ρ) of the solution. Thediffusivity values for hydroxyl ions and dissolved oxygen are listed inTable IV, which were taken from the literature at 22◦C and correctedfor the kinematic viscosity effect.33,50,55

The fluid velocity through the z coordinates is given by Ref. 54:

uz = 2u

1 −

(

r

ro

)2

+ 1−k2

ln(

1k

) ln(

r

ro

)

1−k4

1−k2 − 1−k2

ln(

1k

)

[18]

) unless CC License in place (see abstract).  ecsdl.org/site/terms_use address. Redistribution subject to ECS terms of use (see 128.122.253.228Downloaded on 2015-05-21 to IP

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Journal of The Electrochemical Society, 162 (8) C385-C395 (2015) C393

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -1007

8

9

10

11

12 1M NaCl

2M NaCl

4M NaCl

su

rface-p

H

E (mV/SHE)

Figure 11. Dependence of the surface pH on the potential applied for carbonsteel specimens immersed in unbuffered and aerated solutions of 1 M NaCl(�), 2 M NaCl (�) and 4 M NaCl (●). Data determined using Eq. 15 at thebulk solution pH of 6.7, the fluid velocity of 0.06 m s−1 and the scan rate of 1mV s−1.

Therefore, combining Eq. 12 and Eq. 14 with Eq. 10, the total flux tothe hydroxyl ions can be expressed as:

JO H− = JO H−|O R R + JO H−|water + uzcbO H− [19]

Using Eq. 19, the current density for the hydroxyl ions can be calcu-lated using Faraday’s law:

iO H− = iO2+ iH2 O = nF

(

JO H−|O R R + JO H−|water + uzcbO H−

)

[20]The concentration of hydroxyls ions can be substituted by the con-centration of protons cs

H+ using the ionic product of water, Kw

= csO H− cs

H+ . By combining the ionic product of water in Eq. 12and Eq. 14, the surface pH changes at the working electrode wasdetermined by numerically solving Eq. 20 for different NaCl con-centrations and fluid velocities, using the partial current densities forORR and WRR determined from electrochemical kinetic parameterslisted in Table III. Figure 11 shows the surface pH changes at theworking electrode as a function of the potential, which exhibit a sim-ilar general trend for the different NaCl concentrations studied, withthe exception of the potential range between −350 to −150 mVSHE,

where the surface pH changes with applied potential are more pro-nounced at higher NaCl concentrations. Starting from –150 mVSHE,this behavior is described as a rapid increase from 8 to 10 up to ap-proximately constant values for a wide range of potentials, followedby a final increase at potentials more negative than −750 mVSHE. Atpotentials between −350 and −150 mVSHE, the changes in the surfacepH with the increase in the NaCl concentration can be explained interms of the production rate of hydroxyl ions from the ORR, whichdecreases due to a decrease in the concentration and diffusivity ofoxygen attributed at the high salinity of the solution, thus maintainingthe surface pH that is closer to the solution pH. Figure 12 shows thevariations on the surface pH at the carbon steel surface versus thecurrent density according to Eq. 20 for different fluid velocities. Ata fixed fluid velocity, the high surface pH is observed to graduallyreturn toward the bulk pH up to a value of 8.5 at approximately zerocurrent density. Moreover, the influence of the fluid velocity (in therange of 0.06 to 0.29 m s−1) on the surface pH is restricted to a pHvariation in the range of 0 to 0.2 units, with largest variation observedat intermediate experimental cathodic current density values. Thesechanges, in reference to Eq. 15 and Eq. 16, are a consequence of adecrease in the diffusion layer thickness with fluid velocity, whichin turn is related to the increase in the limiting current density forthe ORR. Similar results were observed in the change of the surfacepH under the influence of NaCl concentration and fluid velocity (datanot shown). For the limiting case of a null dissolved oxygen con-centration (deaerated solutions), negligible changes in the surface pHwith fluid velocity occur; for this case, the predicted surface pH val-

10.5 10.0 9.5 9.0 8.5

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0.06 m s-1

0.12 m s-1

0.17 m s-1

0.23 m s-1

0.29 m s-1

i OH

-(A

m-2)

surface-pH

Figure 12. Cathodic current density versus surface pH obtained for carbonsteel samples at different fluid velocities of the aerated unbuffered solution of4 M NaCl at pH 6.7. Data determined using Eq. 15.

ues were 9.03, 9.09 and 9.15 for 1, 2 and 4 M NaCl, respectively. Anoverview of the surface pH changes with NaCl concentration and fluidvelocity in aerated solutions at corrosion potential values is shown inFig. 13. The results are consistent with the shift in the corrosion po-tentials toward more negative potentials and the significant changesin icorr values observed with the increase in the NaCl concentration(Table III). Additionally, these results clearly show the relevance of thesurface pH on the corrosion process in unbuffered solutions, where thepH at the surface can be different from the pH in the bulk solution.16

Morphological inspection.— Micrographs were obtained on thecorroded carbon steel surface immersed in a 1 M NaCl solution atlow and high fluid velocities using scanning electron microscopy.Figure 14 shows visual evidence, characterized as a comet-tail featurefrom stable pits, which confirms the influence of convection on thecorrosion process. Such observations have been reported in previousinvestigations.60,61 The figure also shows the formation of numerouspitting sites on the surface at low fluid velocities (Fig. 14A), whichappear to be lower in number in comparison with the pitting sites athigh fluid velocities (Fig. 14B). These results suggest a dense oxidesolution flowing from inside the pits, leaving notorious oxide lines inthe flow directions. The oxide appears to be deposited at the top ofthe pit, forming a compact and uniform film (Figs. 14C and 14D).A propagation of corrosion around the scratched lines formed duringsurface polishing (Fig. 14D) is also observed.

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.309.5

9.6

9.7

9.8

9.9

10.0

1 M NaCl

2 M NaCl

4 M NaCl

su

rface-p

H

û (m s-1)

Figure 13. Influence of the fluid velocity on the surface pH at different NaClconcentrations. Values calculated at the corrosion potential using Eq. 15.

) unless CC License in place (see abstract).  ecsdl.org/site/terms_use address. Redistribution subject to ECS terms of use (see 128.122.253.228Downloaded on 2015-05-21 to IP

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C394 Journal of The Electrochemical Society, 162 (8) C385-C395 (2015)

Figure 14. Morphology of the corroded carbon steel in 1 M NaCl solution atlow fluid velocities of 0.06 m s−1 (A) and at high fluid velocities of 0.29 ms−1 (B). The influence of flow direction on the corrosion products formationaround a single pit (C), and influence of surface roughness on the carbon steelcorrosion (D).

A mechanism to explain the influence of flow rate and chlo-ride concentration on the formation of an individual pit is shown inFig. 15. During the corrosion process, the production of the OH−

ions from the WRR and ORR leads to the formation and maintenancea highly alkaline surface due at the low buffering capability of thesolution (Fig. 15A). These OH− ions are combined with the ferrousions Fe+2 from the iron oxidation to finally form a Fe(OH)2 solid de-posit on the electrode surface. The iron (II) hydroxide formed during

Figure 15. Formation of the Fe(OH)2(s) in the initial stage of the carbon steelcorrosion (A). Influence of flow direction on the formation of the corrosionproducts (B).

the initial stage of the corrosion process may be further oxidized tomagnetite at potentials close to −220 mVSHE

32,48 due to the limitedoxygen concentration near the electrode surface. However, the highcontent of chloride ions tends to render an oxide film less stable, pro-moting breakdown of the oxide film. Because the theories regardingoxide film breakdown by chloride ions and the acidification of thebottom of the pits are well-known,56–58 they are not discussed in thiswork. Figure 15B shows a representation of the influence of the fluidvelocity on the formation of the oxide layer around a single pit. Thisfigure shows how the ions inside the pit, including hydrogen protons,chloride anions, and ferrous ions, are transferred from the pit bottomarea to the bulk solution due to the convective effect by the movementof the fluid in the axial direction, which react (Fe+2 and OH− ions)to form a compact oxide film further away from the pitting position.Additionally, this increase in the transference of hydrogen protons andchloride ions outside of the pit due to the axial fluid movement couldinduce the dissolution of the oxide film deposited onto the metallicsurface due to an increase in the solubility of Fe(OH)2 with the de-crease in the pH,32 thereby promoting the formation of new pittingsites.

Conclusions

The corrosion process for carbon steel AISI 1020 in concentratedNaCl aqueous solutions was studied using a concentric annular flowcell equipped with accessories to perform electrochemical measure-ments. The cylindrical specimen, which is the central shaft in theannular geometry, was exposed to an axial flow of 1, 2 and 4 M NaClunbuffered solutions up to average velocities of 0.29 m s−1 measuredin the annular section. The experimental polarization curves obtainedby linear voltammetry measurements are in a good agreement with themodel applied to describe the corrosion kinetic behavior using a super-position model based on the mixed potential theory. The electrochem-ical corrosion kinetic parameters exhibited a significant dependencewith the NaCl concentration and fluid velocity under deaerated andaerated conditions. A combination of factors, primarily the physicalproperties involved in the oxygen mass transfer affected by hydrody-namic conditions and the NaCl concentration, were responsible for thecorrosion behavior of carbon steel, which is characterized in terms ofthe electrochemical parameters. A complementary theoretical analysisof the pH at a solid-liquid interface indicated significant differencesbetween the surface pH and the bulk solution pH for unbuffered so-lutions. Under such circumstances, changes in the production rate ofhydroxyl ions from the oxygen reduction and hydrogen evolution re-actions were found to generate significant changes in the surface pHvalues at different NaCl concentration values. These changes wereconsistent with the variability observed for the electrochemical pa-rameters. A morphological examination confirmed the influence ofconvective flow on the corrosion propagation, mainly through dis-placement of the axial corrosion products.

Acknowledgments

The author gratefully acknowledges the support from CICITEMand the project MECESUP-ANT0709: Fortalecimiento del Programade Doctorado en Ingenierıa de Procesos de Minerales performed atthe Universidad de Antofagasta, Chile.

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) unless CC License in place (see abstract).  ecsdl.org/site/terms_use address. Redistribution subject to ECS terms of use (see 128.122.253.228Downloaded on 2015-05-21 to IP

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Int. J. Electrochem. Sci., 10 (2015) 5673 - 5693

International Journal of

ELECTROCHEMICAL

SCIENCE www.electrochemsci.org

Corrosion Behavior of Carbon Steel in LiBr in Comparison to

NaCl Solutions under Controlled Hydrodynamic Conditions

Alvaro Soliz * and Luis Cáceres.

CICITEM, Centro de Investigación Científico y Tecnológico para la Minería, Departamento de Ingeniería Química y Procesos de Minerales, Universidad de Antofagasta, Av. Angamos 601,

Antofagasta, Chile *E-mail: [email protected]

Received: 9 February 2015 / Accepted: 3 April 2015 / Published: 27 May 2015

The corrosion behavior of carbon steel AISI 1020 in LiBr in comparison with NaCl aqueous solutions

were studied from polarization curve measurements in a rotating disk electrode under a combination of

salt concentration and rotation speed of the electrode. Assuming the occurrence of hydrogen evolution

and oxygen reduction as the cathodic counterparts of the iron oxidation under a predetermined kinetic

model, the corresponding kinetic parameters were obtained applying a numerical method to

experimental data. It was found that, despite of the close similarities observed between corrosion

behavior of carbon steel in LiBr, NaCl and the mixture LiBr+NaCl, there are distinct differences in

kinetics for partial reactions. Some relevant aspects are the significant differences for iron oxidation

and hydrogen evolution in the kinetics parameters that indicates higher kinetic rate for LiBr in

comparison with NaCl solutions. This can be related with morphological attributes of the pits. For

oxygen reduction the fluid dynamics regime and transport properties of the electrolyte of each salt

solution are the main factors affecting the oxygen kinetic behavior.

Keywords: Carbon steel; Kinetic parameters; Halide ions; Mixed potential

1. INTRODUCTION

Corrosion is defined as the destructive attack of a metal by reaction with its environment [1, 2].

In addition to selecting the type of metal, any fundamental approach of the corrosion must involve

considerations about the nature of the environment and the metal/environment interphase, such as the

concentration of aggressive species in solution, fluid motion, the kinetic of metal oxidation and the

reduction of the species at the metallic surface [1].

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Int. J. Electrochem. Sci., Vol. 10, 2015

5674

Lithium bromide is one of the most widely used absorbents in the industry due at the favorable

thermo-physics properties, such as its high solution enthalpy of ΔHs= -49 KJ mol-1

, in comparison to

NaCl or LiCl with solution enthalpies of ΔHs= 4 KJ mol-1 and ΔHs= -37 KJ mol

-1, respectively [3-5].

Like sodium chloride, the lithium bromide solutions can cause serious corrosion problems on the steel

structures and machine components [6]. Previous studies on the corrosion behavior of steel in halide

solution cover general aspects related to anodic dissolution, transition from active to passive region,

pitting potential measurements, current oscillations during pitting formation and kinetics of passive

film formation and breakdown [6-8]. Conflicting conclusions are for a relative pitting potential and

breakdown, while a report indicates no breakdown potential difference in the presence of different

halides, another report concludes a significant pitting potential variation between halides.

Because of its corrosion vulnerability of steels to salt containing solutions under near neutral,

oxygenated or aerated conditions, the deployment of preventive measures to mitigate corrosion

becomes in many cases a necessity to minimize high replacement costs. In order to be effective, these

measures require an accurate knowledge of the corrosion behavior of carbon steel under varied

conditions [9-12].

A general assumption for corrosion studies of steel in aqueous solutions is that hydrogen

evolution and/or oxygen reduction are the main counterpart reactions for iron oxidation. The role of

halide ions in the corrosion process is through particular effects such as physicochemical transport

properties and charge interactions that influence the kinetic mechanism of partial reactions. Given the

industrial importance of corrosion at industrial scale and the widespread presence of chlorides in water,

most of the corrosion studies have been done in chloride containing water. Particularly for highly

concentrated chloride solutions, carbon steel can be mainly affected by localized attack (pitting

corrosion), which is a form of damage caused by a combined effect of high content of aggressive

anions and fluid motion [6, 9, 13, 14]. For the purpose of corrosion modelling it is assumed that

localized corrosion taking place as distributed pits is equivalent to a uniform corrosion throughout the

exposed surface. This applies not only for iron oxidation but also for the counterpart cathodic

reactions. In this regards, the corrosion modelling and the determination kinetic parameters are

commonly performed using the extrapolation Tafel method, in which the graphical representation of

the logarithm of the current density (log |i|) versus the electrode potential (E) shows a linear relation in

the anodic and cathodic domain. From these graphics, the straight lines for both domains are

extrapolated linearly and their intersection point defines the corrosion potential and current density [1,

13, 15]. For the application of this method, it is necessary that both domains, anodic and cathodic,

must be under an activation control showing a well-defined Tafel region [13, 15]. Moreover, when the

polarization curves do not shows a sufficient Tafel region, as to use the extrapolation method [16-19],

the polarization curves can be analyzed through of a numerical adjustment using the superposition

model and the mixed potential theory proposed by Warner and Traud [2, 20, 21].

In this work, we study the corrosion behavior of carbon steel AISI 1020 immersed in diluted

and concentrated solutions of LiBr in comparison with NaCl solutions, using potentiodynamic

measurements in a rotating disk electrode under varied conditions of halide concentration, rotation

rates, and presence and absence of dissolved oxygen concentration. Applying the mixed potential

theory for the corrosion process, the electrochemical corrosion parameters for all partial corrosion

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Int. J. Electrochem. Sci., Vol. 10, 2015

5675

reactions were determined for all conditions studied. From this information detailed behavior for each

partial reaction and global trends were discussed.

2. EXPERIMENTAL

Test unbuffered NaCl and LiBr solutions at concentration of 0.5, 1 and 2 mol L-1

respectively

were prepared using analytical-grade reagent and distilled water. Also, to investigate the combined

effect of NaCl and LiBr on the corrosion behavior, solutions containing a NaCl-LiBr in the molar ratio

of 1:1 were prepared to give a total salt concentration of 0.5, 1 and 2 mol L-1

. Before each

measurement, the solutions were oxygenated with high purity air by bubbling for a period of 15 min at

a room temperature of 21 °C. The air flow into the solutions was maintained till the end of the

experiences. Physical properties of the electrolyte solutions were calculated using predictive

correlations [22-25]. For the mixed solution containing NaCl and LiBr the physical properties were

approximated by the weighted average based on its concentrations. Values of density (ρ), kinematic viscosity (ν), oxygen diffusivity (D), and bulk oxygen dissolved concentration (Cb,O2) are tabulated in

Table 1 for each test solution studied. An optical dissolved oxygen meter type ORION 3-Star Plus was

used for the measurements of the dissolved oxygen concentration in solution. In order to determine the

oxygen influence on the electrochemical measurements, additional experiences were performed under

deaerated conditions, in which the dissolved oxygen in solution was purged by bubbling with high

purity nitrogen for 20 min.

Table 1. Physical properties of the NaCl and LiBr electrolyte solutions at 21 °C

ρ [17, 19]

Kg m-3

107ν [17, 19]

m2 s

-1

109DO2

[18, 20]

m2 s

-1

Cb,O2

mol m-3

Predicted

Levich

slope

Experimental

Levich

slope

NaCl,

mol L-1

0.5 1018.2 9.18 2.03 0.21 0.82 0.71

1.0 1036.4 9.41 1.93 0.19 0.71 0.68

2.0 1072.3 10.1 1.88 0.14 0.51 0.49

LiBr,

mol L-1

0.5 1030 8.98 1.99 0.23 0.89 0.83

1.0 1076.4 9.96 1.70 0.22 0.75 0.69

2.0 1124.7 9.99 1.65 0.19 0.63 0.58

xNaCl+xLiBr,

mol L-1

x=0.25 1012.7 9.0 2.12 0.24 0.96 0.85

x=0.5 1024.1 9.08 2.01 0.22 0.85 0.79

x=1.0 1056.4 9.70 1.82 0.20 0.72 0.59

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5676

Electrochemical measurements were performed using a conventional three-electrode glass cell

with a rotating disc electrode (RDE) system. The working electrodes (4 mm diameter and 10 mm

length) were made from small cylindrical carbon steel AISI 1020 bars whose chemical composition

was wt%: 0.2 C, 0.6 Mn, 98.5 Fe and traces of S, Si, Cu, Ni, Cr, Sn, P and Mo. The metallic specimen

were inserted into a plastic rod (8 mm diameter and 20 mm of length) with appropriate perforations

and sealed applying resin adhesive, so that only the bottom planar surface area (12.57 mm2) was

exposed to the test solution. Prior to each experiment, the working electrodes were mechanically

polished using 1200-grit SiC polishing paper, washed with ethanol in an ultrasonic bath, and finally

rinsed with distilled water. Spiral platinum and an Ag/AgCl (sat. KCl) were used as counter and

reference electrodes respectively. An EPSILON potentiostat/galvanostat (Bas Inc. USA) model

BAS100 B/W provided with a rotating electrode interface BAS/RDE-1 was used as electrochemical

interface. Experiments were carried out for a range of rotation speed between 1500 and 6863 rpm.

Linear sweep voltammetry measurements were performed by sweeping the potential in positive

direction from -950 mV to -50 mV versus the standard hydrogen electrode (SHE) at a potential scan

rate of 1 mV s-1

which is assumed to produce a steady-state condition [1]. The starting potential and

the sweep direction ensure that the measurements can be performed on a free-oxides surface, thereby

controlling the excessive generation of hydrogen microbubbles at the specimen. The morphological

inspections of the corroding surface were observed using a LEO 1420 VP scanning electron

microscopy (SEM), and an optical microscope Olympus BX 41M.

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1. Polarization curves in aerated and deaerated solutions

-1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200

-20

-15

-10

-5

0

i O2 (

A m

-2)

E (mVSHE

)

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

Figure 1. Experimental polarization curves for carbon steel in aerated (continuous line) and deaerated

(dotted line) 1 mol L-1

NaCl (circle), 1 mol L-1

LiBr (square) and 0.5 mol L-1

NaCl + 0.5 mol

L-1

LiBr (stars) solutions. Scan rate of 1 mV s-1

, and rotation speed of 2500 rpm. Inset:

Difference between aerated and deaerated experimental data.

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5677

Neglecting the occurrence of any electrochemical partial reaction other than oxygen reduction,

hydrogen evolution and iron reduction in a metal immersed in an aqueous salt solution, it can be stated

that a partial polarization curve for oxygen reduction reaction can be visualized by superimposing of

the experimental aerated and deaerated polarization curves. Under this consideration, the Fig. 1 shows

potentiodynamic measurements for carbon steel immersed in aerated and deaerated NaCl and LiBr

solutions. In the figure it is seen that the experimental polarization curves exhibits similar shapes and

symmetry. According to the mixed potential theory, these shapes can be synthesized as a

superimposition of the partial reactions that occurs in the corrosion process [26-28].

The partial reactions taking place during the corrosion of carbon steel are: 2H2O+2e- → H2 (g)+ 2OH-

(aq) (1) O2 g +2H2O+ 4e- → 4OH-

(aq) (2)

Fe → Fe+2(aq) + 2e- (3)

The kinetics expressions for the partial cathodic and anodic reactions are:

The cathodic reactions:

iH2=i0,H2 exp 2.303 E-Eeq,H2 bH2

(4)

iO2=i0,O2 exp 2.303 E-Eeq,O2 bO2

1-iO2

il,O2 m

(5)

The anodic reaction:

iFe=i0,Fe exp 2.303 E-Eeq,Fe bFe

(6)

where, i0,j is the exchange current density, bj is the Tafel slope, Eeq,j is the equilibrium

potentials, with subscripts designating (j) of oxygen reduction (O2), hydrogen evolution (H2) and iron

oxidation (Fe), respectively, il,O2 is the oxygen limiting current density, and m is the kinetic order for

the oxygen reduction reaction (ORR). The equilibrium potentials for the reaction (1)-(3) were

determined using the Nernst equation:

Eeq,O2=EO20 -

0.05844

4pH- log PO2 (7)

Eeq,H2=EH20 -

0.05842

2pH- log PH2 (8)

Eeq,Fe=EFe0 +

0.05842

log CFe+2 (9)

where, E0

j is the standard equilibrium potential for oxygen reduction, hydrogen evolution and

iron oxidation respectively, PO2 and PH2 are the partial pressures for oxygen and hydrogen, and CFe+2

is

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5678

the ferrous iron concentration. A ferrous iron concentration value of 1x10-6

mol L-1

was assumed for

EeqFe calculation as suggests Bockris [29].

The absence of a planar plateau in the anodic and cathodic domain of the polarization curves

for deaerated solutions (Fig. 1) indicates that electrochemical reactions are under an activation control,

which can be identified from the Tafel slope in Evans plots. It condition can be due at the sufficient

water molecules available on the metallic surface for its reduction reaction [30].

For aerated solutions, the presence of a distinctive cathodic plateau in the polarization curves is

fully compatible with the kinetic expression given by Eq. (5) in the potential range between -700

mVSHE and -400 mVSHE [9, 27, 31, 32]. On the other hand, the corrosion potential shifting toward more

positive potentials exhibited for aerated solutions, in comparison with deaerated solutions, can be

easily visualized in terms of the mixed potential theory considering that the aerobic polarization curve

is nearly equivalent to a superimposition between a partial cathodic oxygen reduction current density

and a deaerated polarization curve.

The difference between the experimental aerobic and anaerobic polarization curves is shown as

an insert in Fig. 1. In the cathodic side of this curve, the NaCl deviation toward more negative values

in comparison with LiBr suggests a different kinetic rate for each case or a synergistic interaction

between oxygen reduction and hydrogen evolution reactions. This interaction can be originated from

local increases of pH which takes place from the reduction reactions (1) and (2). This increase in pH

should generate a decrease in the equilibrium potential values of Eqs. (7) and (8), that subsequently

alter the kinetics rate through changes induced in the overpotential values of Eqs. (4) and (5). For the

case of hydrogen evolution reaction (assuming that the exchange current density value remains

unaltered), an increase of current density is expected as a result of a pH increase. Given the significant

larger current densities for aerated in comparison with deaerated solutions, then a significant larger

increase in local pH is expected for aerated solutions. This is compatible with deviations shown in the

cathodic side of the difference between experimental curves shown in Fig. 1.

3.2. Rotation speed influence on polarization curves

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-30

-20

-10

0

10

20

30

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-30

-20

-10

0

10

20

30

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

B

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

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5679

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-30

-20

-10

0

10

20

30

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

C

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

Figure 2. Influence of the rotation speed on polarization curves for carbon steel electrodes in aerated

(A) 0.5, (B) 1.0 and (C) 2.0 mol L-1

NaCl solutions. Scan rate 1 mV s-1

.

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-30

-20

-10

0

10

20

30

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-30

-20

-10

0

10

20

30

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

B

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-30

-20

-10

0

10

20

30

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

C

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

Figure 3. Influence of the rotation speed on polarization curves for carbon steel electrodes in aerated

(A) 0.5, (B) 1.0 and (C) 2.0 mol L-1

LiBr solutions. Scan rate 1 mV s-1

.

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5680

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-30

-20

-10

0

10

20

30

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

B

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-30

-20

-10

0

10

20

30

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

C

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

Figure 4. Influence of the rotation speed on polarization curves for carbon steel electrodes in aerated

(A) 0.25 mol L-1

LiBr + 0.25 mol L-1

NaCl, (B) 0.5 mol L-1

LiBr + 0.5 mol L-1

NaCl, and (C)

1.0 mol L-1

LiBr + 1.0 mol L-1

NaCl solutions. Scan rate 1 mV s-1

.

Figs. 2-4 presents typical polarization curves for carbon steel electrodes immersed in aerated

individuals NaCl and LiBr solutions and a mixture NaCl+LiBr at various rotation speeds. No visual

difference can be observed between different polarization curves at every concentration whose shapes

and trends that are in agreement with previous investigations concerning the corrosion studies of

carbon steel in NaCl solution [9, 20]. The main feature observed in all group of experiments an every

salt concentration is that the planar plateau, which is mainly originated from the limiting current

density for ORR, shows a notorious increase in magnitude with increasing rotation speed. This effect is

directly related to the decreasing trend of the diffusion layer thickness with increasing rotation speed

[13, 33-35]. In principle the planar plateau should persist with increasing potentials while the dissolved

oxygen concentration has a null value at the metal surface. The gradual decrease of the planar plateau

that occur at potentials more positive than -400 mVSHE, is due either to a ORR kinetic change from

diffusion to a mixed charge transfer and mass transfer controlled mechanism, and/or the

superimposition of the partial polarization curve for iron oxidation [9, 33]. In contrast with the

cathodic response to a rotation speed, the anodic domain exhibits a low sensitivity to rotation speed

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Int. J. Electrochem. Sci., Vol. 10, 2015

5681

changes. Evidence of pitting formation on the specimen surface was confirmed in all experiments.

Some pits showed rust trails indicating a corrosion product from inside the pits that was exposed to

advective flow generated from the rotating specimen. According to this evidence the moderate effect

of rotation speed observed on the anodic branch could be attributed to the random character of pitting

corrosion that in turn could be affected by mechanism of lateral dispersion of corrosion products from

inside the pits (more details in next section 3.6).

3.3. Concentration influence on the polarization curves

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-30

-20

-10

0

10

20

30

0.5 mol L-1 NaCl

1.0 mol L-1 NaCl

2.0 mol L-1 NaCl

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-30

-20

-10

0

10

20

30

0.5 mol L-1 LiBr

1.0 mol L-1 LiBr

2.0 mol L-1 LiBr

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

B

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-30

-20

-10

0

10

20

30

0.25 mol L-1 NaCl+0.25 mol L

-1 LiBr

0.5 mol L-1 NaCl+0.5 mol L

-1 LiBr

1.0 mol L-1 NaCl+1.0 mol L

-1 LiBr

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

C

Figure 5. Polarization curves for carbon steel immersed in different concentrations of aerated (A)

NaCl, (B) LiBr, and (C) NaCl+LiBr solutions at 4500 rpm, 5500 rpm and 2500 rpm

respectively. Scan rate 1 mV s-1

.

Representative polarization curves for carbon steel immersed in different concentrations of

individual NaCl and LiBr solutions and a mixture NaCl+LiBr solutions are shown in Fig. 5 for a fixed

rotation speed. Similar curve shapes of the polarization curves were observed for all rotation speed

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5682

studied. Irrespective of the type of solution, the magnitude of the cathodic plateau that represents the

limiting current density of the ORR shows a decreasing trend with the increasing solution

concentration. These changes are related to the concentration dependency of the physical properties

with concentration solution. This is the case for the oxygen diffusivity and solubility that decreases

with an increase in solution concentration; in contrast the viscosity and density increase with solution

concentration (Table 1). In terms of potential ranges, an increase of salt concentration reduces the

region of the mixed charge transfer for the ORR, leading to an increase in the potential range for the

oxygen limiting current density. For instance, in 0.5 mol L-1

NaCl solutions, it is seen that the mass

transfer control region ranged from -700 mVSHE to -500 mVSHE, while that for concentrated solutions 2

mol L-1

NaCl the mass transfer control region ranged from -700 mVSHE -320 mVSHE. Similar behaviors

were observed for the case of LiBr solutions and the mixed NaCl+LiBr solutions. These changes in

kinetics mechanism are associated to the kinetic parameter dependency with the salt concentration,

such as the Tafel slope and exchanges current density for each partial reaction [13].

3.4. Kinetic parameters and kinetic behavior of partial electrochemical reactions

Generally the determination of electrochemical and corrosion parameters from experimental

polarization curves are carried out by applying the Tafel extrapolation method or the mixed potential

theory [9, 12, 18, 20]. The requirements to use each method are described in literature [1, 13, 15, 21].

In the present study, as is shown in Figs. 2-5, the cathodic zone of the experimental polarization curves

does not exhibit a very well-defined linear Tafel region, where current density is controlled by a mixed

kinetic and mass transfer. For this reason the use of the graphical Tafel extrapolation method may lead

erroneous readings. Then, the electrochemical and corrosion parameters are more conveniently

determined by numerical fitting using the principle the mixed potential theory proposed by Wagner

and Traud [20, 21]. This principle considers that the total current density is an algebraic contribution of

the anodic and cathodic partial current densities [2, 13, 18, 20, 21].

As was discussed previously, iron oxidation, oxygen reduction and hydrogen evolution

reactions are the main electrochemical partial reactions involved in the corrosion of carbon steel in

aerated solutions. Then the total current density i can be written by:

i=iFe+iO2+iH2 (10)

where, iFe, iO2, iH2 are the partial current densities for iron oxidation, oxygen reduction and

hydrogen evolution reactions, respectively.

Considering a charge transfer control for the iron oxidation and hydrogen evolution reactions

and a mixed charge transfer and mass transfer control for the ORR, the partial reactions can be

modeled using the Eqs. (4)-(6). A first order kinetic model is considered for the ORR [9, 27, 34]. The

root mean square error was used as index of convergence. Corrosion potentials Ecorr and corrosion

current densities icorr were determined from Eq. (10) for a null total current density i=0 A m-2

.

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5683

Table 2. Electrochemical and corrosion parameters for carbon steel corrosion immersed in aerated

NaCl solutions at different rotation speeds.

Iron oxidation

Hydrogen

evolution Oxygen reduction

NaCl,

mol L-1

w,

rpm

bFe,

mV dec-1

105 i0Fe,

A m-2

bH2,

mV dec-1

103 i0H2,

A m-2

bO2,

mV dec-1

1010

i0O2,

A m-2

ilO2,

A m-2

Ecorr,

mVSHE

icorr,

A m-2

0.5

1500 60 0.01 -136 -3.09 -154 -1565.31 -9.08 -199 1.10

2500 68 0.08 -131 -2.63 -137 -285.84 -12.61 -193 1.30

4500 73 0.25 -122 -1.45 -134 -189.56 -15.56 -194 1.40

5500 88 3.65 -165 -13.84 -137 -315.39 -17.15 -205 1.78

6863 92 4.17 -128 -1.50 -146 -860.21 -19.83 -197 1.55

Av. 76 1.63 -137 -4.50 -141 -643.26 -14.85 -198 1.43

1

1500 91 16.69 -153 -8.86 -108 -7.18 -8.20 -222 3.34

2500 65 0.36 -152 -5.87 -117 -46.16 -10.88 -221 4.04

4500 73 1.15 -163 -15.52 -115 -47.67 -12.99 -209 4.45

5500 82 4.63 -157 -10.58 -108 -10.55 -15.62 -209 4.33

6863 83 5.17 -152 -8.16 -128 -569.59 -18.52 -199 5.73

Av. 79 5.60 -156 -9.80 -115 -136.23 -13.24 -212 4.38

2

1500 74 2.03 -163 -23.55 -108 -2.51 -5.02 -253 1.66

2500 77 2.62 -159 -19.74 -114 -17.97 -7.50 -235 2.47

4500 74 1.72 -161 -24.13 -77 -0.0008 -9.41 -228 2.77

5500 71 0.96 -152 -13.38 -73 -0.0001 -10.72 -228 2.76

6863 74 1.45 -148 -12.75 -73 -0.0001 -12.56 -222 3.00

Av. 74 1.75 -157 -18.71 -89 -4.10 -9.04 -233 2.53

Table 3. Electrochemical and corrosion parameters for carbon steel corrosion immersed in aerated

LiBr solutions at different rotation speeds.

Iron oxidation

Hydrogen

evolution Oxygen reduction

LiBr,

mol L-1

w,

rpm

bFe,

mV dec-1

105 i0Fe,

A m-2

bH2,

mV dec-1

103 i0H2,

A m-2

bO2,

mV dec-1

1010

i0O2,

A m-2

ilO2,

A m-2

Ecorr,

mVSHE

icorr,

A m-2

0.5

1500 139 146.24 -161 -20.79 -136 -291.38 -8.80 -215 1.13

2500 132 163.98 -166 -28.64 -141 -554.70 -11.85 -224 1.50

4500 141 263.48 -166 -30.85 -141 -620.58 -16.25 -222 1.66

5500 168 889.33 -148 -15.88 -140 -683.34 -18.51 -223 1.95

6863 149 404.53 -156 -22.32 -144 -1303.29 -20.60 -213 2.02

Av. 146 373.51 -159 -23.69 -140 -690.66 -15.20 -219 1.65

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5684

1

1500 123 117.97 -183 -92.38 -84 -0.02 -8.16 -241 1.33

2500 108 41.09 -175 -96.61 -97 -1.15 -10.43 -226 1.67

4500 101 18.95 -172 -93.30 -122 -304.47 -14.13 -208 2.14

5500 103 22.39 -166 -81.98 -126 -658.83 -15.72 -199 2.42

6863 86 3.41 -160 -73.37 -149 -14740.23 -18.16 -189 3.05

Av. 104 40.76 -171 -87.53 -116 -3140.94 -13.32 -213 2.12

2

1500 80 2.49 -166 -176.58 -112 -61.76 -6.10 -232 1.60

2500 98 21.52 -162 -169.68 -101 -13.87 -8.44 -218 2.39

4500 90 11.19 -160 -196.24 -104 -42.83 -11.39 -212 3.50

5500 105 39.97 -156 -187.85 -102 -38.15 -12.61 -199 3.57

6863 119 126.28 -180 -291.64 -86 -0.86 -14.54 -201 3.89

Av. 98 40.29 -165 -204.40 -101 -31.49 -10.62 -212 2.99

Table 4. Electrochemical and corrosion parameters for carbon steel corrosion immersed in aerated

xNaCl + xLiBr solutions at different rotation speeds. x=0.25 mol L-1

, 0.5 mol L-1

and 1.0 mol

L-1

.

Iron oxidation

Hydrogen

evolution Oxygen reduction

x,

mol L-1

w,

rpm

bFe,

mV dec-1

105 i0Fe,

A m-2

bH2,

mV dec-1

103 i0H2,

A m-2

bO2,

mV dec-1

1010

i0O2,

A m-2

ilO2,

A m-2

Ecorr,

mVSHE

icorr,

A m-2

0.25

1500 68 0.17 -167 -18.26 -122 -28.42 -11.06 -223 1.09

2500 78 1.17 -172 -23.64 -126 -91.06 -14.35 -215 1.70

4500 77 1.09 -181 -31.06 -133 -270.67 -19.13 -215 1.88

5500 74 0.74 -206 -66.75 -142 -904.37 -20.88 -216 2.01

6863 83 4.63 -212 -91.10 -150 -2498.60 -23.11 -225 2.42

Av. 76 1.56 -188 -46.16 -135 -758.62 -17.71 -219 1.82

0.5

1500 68 0.28 -166 -28.97 -103 -0.88 -9.18 -229 1.24

2500 80 2.92 -192 -60.80 -97 -0.26 -11.61 -235 1.78

4500 79 2.71 -224 -136.14 -119 -34.71 -15.00 -229 2.09

5500 81 3.57 -232 -151.07 -137 -465.23 -16.84 -229 2.16

6863 70 0.61 -246 -247.79 -105 -2.47 -18.80 -223 2.27

Av. 76 2.02 -212 -124.95 -112 -100.71 -14.28 -229 1.91

1.0

1500 39 0.00001 -179 -49.51 -85 -0.01 -6.22 -222 0.78

2500 55 0.02 -212 -128.34 -100 -0.61 -7.35 -233 1.36

4500 56 0.04 -234 -215.77 -125 -83.06 -9.59 -238 1.79

5500 64 0.25 -244 -283.62 -122 -53.75 -10.66 -240 1.90

6863 50 0.005 -263 -352.33 -146 -1625.91 -11.74 -234 2.17

Av. 53 0.06 -226 -205.91 -116 -352.67 -9.11 -223 1.60

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5685

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

-30

-20

-10

0

10

20

30

icorr

ifit

iexp

iFe

iH2

iO2i

(A

m-2)

E (mVSHE

)

Ecorr

Figure 6. Experimental and fitted polarization curves for carbon steel in aerated 1 mol L-1

LiBr

solution at 2500 rpm. Corrosion parameters determination and synthesis of the partial

polarization curves using the superposition model and the mixed potential theory.

Tables 2-4 resumes the rotation speed influence on the electrochemical parameters values for

the partial reactions involved in the corrosion process of carbon steel immersed in NaCl, LiBr and the

mixture NaCl+LiBr solutions, respectively. Fig. 6 shows the relationship between experimental and

fitted polarization curves, and synthesized partial polarization curves which were constructed using

Eqs. (4)–(6) and Eq. (10).

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

0

10

20

30

iFe

iH2

iO2

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

0

10

20

30

iFe

iH2

iO2

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

B

Figure 7. Rotation speed influence on partial polarization curves for anodic and cathodic sub-

processes at concentrations of (A) 0.5 mol L-1

and (B) 2 mol L-1

NaCl solutions.

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5686

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

0

10

20

30

iFe

iH2

iO2

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

0

10

20

30

iFe

iH2

iO2

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

B

Figure 8. Rotation speed influence on partial polarization curves for anodic and cathodic sub-

processes at concentrations of (A) 0.5 mol L-1

and (B) 2 mol L-1

LiBr solutions.

A good agreement between experimental and fitted values was observed validating the

applicability of the mixed potential theory in corrosion studies of carbon steel electrodes immersed in

concentrated solutions. Also, the Fig. 6 shows the graphical representation of the determination of the

corrosion parameters according to the mixed potential theory in which the total anodic and cathodic

current densities are balanced at Ecorr value. Values of icorr and Ecorr are tabulated in Tables 2-4 for each

test solution.

Figs. 7 and 8 shows paired plots of NaCl and LiBr solutions at 0.5 and 2 mol L-1

, respectively.

Each single plot containing a family of synthesized partial polarization curves of carbon steel at

different rotations rates of the electrode.

Fig. 9 shows a similar plot but for a mixture NaCl+LiBr at a total concentrations of 0.5 and 2

mol L-1

. It is very interesting to note that although the general shape and tendencies between

polarizations plots for NaCl, LiBr and NaCl+LiBr mixture have minor discrepancies, the partial

reactions between different salts exhibit interesting differences. For the iron oxidation kinetic, the first

observation is that its current density is not significantly affected by an increase in rotation rate.

However, it is noticeably affected by both the type and concentration of salt. In fact, the i0,Fe values for

LiBr are between 1 to 3 order of magnitude higher than those corresponding to NaCl, the lowest

differences are observed at a salt concentration of 2 mol L-1

(Tables 2 and 3).

Also the bFe values for LiBr are between 1.5 to 2 times higher than those corresponding to

NaCl. The meaning of these differences is in reference to overpotentials and rate of change in the iron

kinetics. The higher i0,Fe values means that it is easier to oxidize iron in LiBr than in NaCl solutions, or

in other words a lower overpotential is needed in LiBr than in NaCl solutions to achieve similar values

of oxidation current density. A higher bFe value for LiBr means a lower rate of iron oxidation in

comparison with NaCl at similar potential values.

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-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

0

10

20

30

iFe

iH2

iO2

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

A

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100

0

10

20

30

iFe

iH2

iO2

1500 rpm

2500 rpm

4500 rpm

5500 rpm

6863 rpm

i (

A m

-2)

E (mVSHE

)

B

Figure 9. Rotation speed influence on partial polarization curves for anodic and cathodic subprocesses

at concentrations of (A) 0.25 mol L-1

NaCl + 0.25 mol L-1

LiBr and (B) 1 mol L-1

NaCl + 1 mol

L-1

LiBr solutions.

These effects are visualized in Figs. 7 and 8, as a slight anodic shift on the start potential for

iron oxidation in NaCl in comparison with LiBr combined with a higher curve slope for NaCl in

comparison with LiBr. For the hydrogen evolution reaction also the current density is not significantly

affected by an increase in rotation rate, but is affected by both the type and concentration of salt, but in

lower extent than iron oxidation reaction. Here, the i0,H2 values for LiBr are between 1 to 2 order of

magnitude higher than those corresponding to NaCl, but the bH2 values for LiBr are similar than those

corresponding to NaCl. The comparative higher i0,H2 value means that for hydrogen evolution a lower

overpotential is needed for carbon steel in LiBr than in NaCl solutions to obtain similar values of

current density. In Figs. 7 and 8 this is visualized as a slight cathodic shift on the start potential for a

near null current density for hydrogen evolution in NaCl in comparison with LiBr. In contrast with iron

oxidation and hydrogen evolution reactions, the current density for the ORR is significantly affected

by rotation speed due to of mass transfer limitations for dissolved oxygen from the bulk to the metal

surface. The il,O2 parameter representing this effect and evidenced as a planar plateau in iO2 curves

(Figs. 7 and 8), which show an increasing trend in the absolute values with electrode rotation speed;

for example il,O2 at 0.5 mol L-1

LiBr or NaCl changes from -9 A m-2

at 1500 rpm to -20 A m-2

at 6863

rpm. At higher concentrations these absolute values shows a slight decrease.

The kinetic parameters of steel in a mixture NaCl+LiBr at equal molar concentrations are

shown in Table 4. The very similar iron oxidation kinetic parameter values observed between 0.25 mol

L-1

NaCl + 0.25 mol L-1

LiBr and 0.5 mol L-1

NaCl, at larger concentrations present a notorious

decreasing trend toward lower kinetic for the mixture NaCl+LiBr. This indicates that NaCl is

significantly more influential on the iron kinetic than LiBr and also exists some sort of interaction

between LiBr and NaCl that tend to block the iron kinetic rate. On the contrary, the hydrogen evolution

reaction for the mixture NaCl+LiBr is more influenced by LiBr than NaCl but in this case the kinetic

rates do not exhibit a decreasing trend at higher concentrations of NaCl+LiBr. For the ORR the kinetic

parameters for NaCl+LiBr are very similar to NaCl and LiBr in respect to the decreasing trend in

absolute values observed at increasing concentration.

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5688

3.5. Considerations for the mechanism of the oxygen reduction reaction

In the cathodic range extending approximately up to -600 mVSHE, the partial ORR is controlled

solely by oxygen mass transfer from the bulk up to the metal surface where there is a null

concentration of oxygen. Accordingly, the iO2 in this range is only dependent of fluid-dynamics regime

and transport properties of the electrolyte. A detailed theoretical analysis of this situation [13] is based

on the steady-state convective-diffusion equation which is coupled with an expression for a velocity

profile solution in cylindrical coordinates in addition with appropriate boundary conditions for the

oxygen transport from the bulk up to a rotating disk surface at a fixed rotation speed. Expressing the

oxygen flux rate solution at the surface in terms of the Faraday´s equivalence the Levich´s equation is obtained [9, 13, 35]:

il,O2=0.62nFCb,O2D2/3v-1/6w1/2 (11)

where, n is the number of exchanged electrons in the ORR, F is the Faraday constant (96485 C

mol-1

), and w is the angular velocity of the disc electrode expressed in radian per second.

In all solutions tested, the |il,O2| values were increasing with the rotation speed at a rate

compatible with Eq. (11) as is showed in Fig. 10. The influence of increasing salt concentration is

manifested as a curve downward displacement, which is explained in terms of the concentration

dependence parameters Cb,O2, D and v values.

The inset figure in Fig. 10 shows the Levich plots |il,O2| vs. w1/2

for experimental data at

different concentrations of NaCl, LiBr and NaCl+LiBr solutions. The experimental Levich slopes for

both NaCl and LiBr solutions which are equivalent to the proportionality factor S=|il,O2|/w1/2

present a

deviation between 2 to 12% with respect to predicted S values (0.62nFCb,O2D2/3

v-1/6

) of Table 1

assuming four exchanged electrons. This deviation increases up to 18% for mixed NaCl+LiBr

solutions, which are attributed mainly to lower Cb,O2 experimental values.

0 1500 3000 4500 6000 7500

0

10

20

30

0 5 10 15 20 25

0

5

10

15

20

|ilO

2|

(A

m-2

)

w1/2

(rad s-1)

1/2

0.5 mol L-1 NaCl

1 mol L-1 NaCl

2 mol L-1 NaCl

|ilO

2|

(A

m-2)

w (rpm)

A

0 1500 3000 4500 6000 7500

0

10

20

30

0 5 10 15 20 25

0

5

10

15

20

|ilO

2|

(A

m-2

)

w1/2

(rad s-1)

1/2

0.5 mol L-1 LiBr

1 mol L-1 LiBr

2 mol L-1 LiBr

|ilO

2|

(A

m-2)

w (rpm)

B

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5689

0 1500 3000 4500 6000 7500

0

10

20

30

0 5 10 15 20 25

0

5

10

15

20

25

|ilO

2|

(A

m-2

)

w1/2

(rad s-1)

1/2

0.25 mol L-1 NaCl+0.25 mol L

-1 LiBr

0.5 mol L-1 NaCl+0.5 mol L

-1 LiBr

1 mol L-1 NaCl+1 mol L

-1 LiBr

|ilO

2|

(A

m-2)

w (rpm)

C

Figure 10. Influence of the rotation speed on the oxygen limiting current density for carbon steel

electrodes in aerated (A) NaCl, (B) LiBr and (C) NaCl+LiBr solutions. Inset: Levich plot

showing the |il,O2| vs w1/2

.

The physical factors that influence dissolved oxygen are not only temperature, altitude and

salinity, but also fluid dynamics conditions. Dismissing this deviation, the preceding information is an

additional confirmation that the ORR is controlled by a mass transfer mechanism [36].

At potentials higher than -600 mVSHE the oxygen concentration at the metal surface should be

greater than zero, and the incidence of electron transfer reaction must become increasingly important

up to a zone near the corrosion potential where the reaction should proceed with a pure charge transfer

mechanism. In this respect, the factor (1-iO2/il,O2) in Eq. (5) is a proportionality factor indicating the

degree of incidence of the charge transfer reaction on the global ORR kinetics. From the determined

numerical value for this factor, which is greater than 0.8 for all runs, it can be stated that at the Ecorr

potential the ORR reaction takes place through a nearly pure charge transfer mechanism.

3.6. Influence of salt concentration and rotation speed on the corrosion parameters

One important consequence of the variability described in section 3.4 is its impact on the

intersection point between the polarization curves for iron oxidation and ORR which is nearly

positioned at the Ecorr value. Neglecting the influence of hydrogen evolution reaction, the absolute

current density for iron oxidation becomes equal to ORR at this potential [2, 9, 13]. The influence of

rotation speed and salt type and its concentration on the intersection point is described for Ecorr and icorr

separately. At increasing rotation speed, the Ecorr values do not change significantly by the exception

for LiBr solutions where a slight anodic shift is observed. The same condition induces an increase in

the icorr values. At increasing NaCl solution concentration, the Ecorr value is shifted toward more

cathodic potentials and the icorr presents a maximum value at 1 mol L-1

concentration. In contrast for

LiBr solutions, the Ecorr shift does not occur and the icorr do not show an intermediate maximum value.

Fig. 11 shows the corrosion rate versus the rotation speed at different concentrations of NaCl and LiBr

in solution.

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5690

0 1500 3000 4500 6000 7500

0

1

2

3

4

5

6 0.5 mol L-1 NaCl

1 mol L-1 NaCl

2 mol L-1 NaCl

i co

rr

(A m

-2)

w (rpm)

A

0 1500 3000 4500 6000 7500

0

1

2

3

4

5 0.5 mol L

-1 LiBr

1 mol L-1 LiBr

2 mol L-1 LiBr

i co

rr

(A m

-2)

w (rpm)

B

0 1500 3000 4500 6000 7500

0

1

2

3

4 0.25 mol L-1 NaCl+0.25 mol L

-1 LiBr

0.5 mol L-1 NaCl+0.5 mol L

-1 LiBr

1 mol L-1 NaCl+1 mol L

-1 LiBr

i co

rr

(A m

-2)

w (rpm)

C

Figure 11. Influence of the rotation speed on the corrosion current density for carbon steel electrodes

in aerated (A) NaCl, (B) LiBr and (C) NaCl+LiBr solution at total concentrations of 0.5, 1 and

2 mol L-1

.

For the case of the NaCl solutions (Fig. 11A), it is seen that for solutions 0.5 and 2 mol L-1

the

corrosion rates tend to reach constant values at high rotation speeds, in contrast to the corrosion rates

obtained in solutions 1 mol L-1

NaCl where the corrosion rates values were continuously increasing

with the rotation speed. On the other hand, the influence of the NaCl concentration shows that the

increase in corrosion rate up to 1 mol L-1

NaCl, is followed by an abrupt decrease at concentrated

solutions of 2 mol L-1

. Then, the concentration of 1 mol L-1

NaCl can be considered as a threshold for

the corrosion rate in NaCl solutions. This decrease can be attributed to a decrease in mass transfer of

oxygen provoked by a combination of lower saturated dissolved oxygen concentration and higher

viscosity that occur at high NaCl concentration conducting to obtain low corrosion rates [37]. Previous

studies for the corrosion of carbon steel in solution with concentration lower than 1 mol L-1

NaCl are

in agreement with the results obtained in this study [9]. For the case of the LiBr solution (Fig. 7B), the

corrosion rates increase continuously with an increase in rotation speed. However, the corrosion rate

variations with the concentration do not exhibit a concentration threshold value, as was observed in

NaCl solutions. According to the results at concentrations larger than 1 mol L-1

the bromide anions

reveal to be more aggressive than the chloride anions for the carbon steel corrosion process.

Page 167: FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE DOCTORADO EN …

Int. J. Electrochem. Sci., Vol. 10, 2015

5691

3.7. Morphological analysis

The morphological inspections of the corroded surface were made through images of samples

with and without surface rust. Samples with rust were taken in a visual microscope immediately after a

polarization curve measurement, whereas samples free of rust were taken in a SEM microscope after

10-minutes sonication in 5% acid citric solution.

Images taken with a visual microscope (Fig. 12A) shows that a fraction of the surface with

oxide layer, exhibit a tail-like pattern that start from larger pits suggesting its pouring from growing

pits.

A B1

B2 B3

Figure 12. Images of the carbon steel electrodes after linear polarization experiments. (A) Images

obtained with an optical microscope with 10X of magnitude, (B) Images obtained with a

scanning electronic microscope (SEM), (B1) NaCl, (B2) LiBr and (B3) NaCl+LiBr solutions.

The SEM micrographs shows that the surface morphology contain two basic features, a

concentrically circular grind lines left when polishing in a lathing machine and distributed cavities left

by localized corrosion. Unlike pitting cavities formed in NaCl, which shows well delineated contours

that not change with size (Fig. 12B1), cavities formed under LiBr solutions shows diffuse borders (Fig.

12B2). This indicates faster iron oxidation kinetics for LiBr which agrees with kinetic parameter

description given in section 3.4. In this respect it is important to point out that because of the

significant higher i0,Fe parameter for LiBr than NaCl, the LiBr kinetics will be faster than that of the

NaCl provided that the iron overpotential is not significant. This is because the lower bFe value for

NaCl means faster rate of kinetic increase than LiBr, and therefore at sufficiently high overpotential

the iron kinetics will be becomes higher than that of the LiBr despite the higher i0,Fe value for LiBr. On

the other hand, the pits observed on the surface exposed to the mixture NaCl+LiBr (Fig. 12B3) show

similar shapes to the pits observed in solutions of NaCl. These observations for the mixture NaCl+LiBr

are in agreement with the kinetic parameters i0,Fe and bFe, which shows values more close to the kinetic

parameters obtained for NaCl than that obtained for LiBr solutions.

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4. CONCLUSIONS

In this work the corrosion behavior of carbon steel AISI 1020 in LiBr in comparison with NaCl

solutions were studied from polarization curve under a combination of different salt concentrations and

rotation speeds of the electrode. The experimental potential-current density data were expressed in

terms of a kinetic model in which hydrogen evolution and oxygen reduction reactions are the cathodic

counterparts of the iron oxidation reaction.

Despite of the close similarities and tendencies observed for carbon steel corrosion with

rotation speed and salt concentration between LiBr and NaCl, distinct differences were found in the

kinetic for partial electrochemical reactions.

1) For iron oxidation, the i0,Fe values for LiBr are between 1 to 3 orders of magnitude

higher than those corresponding to NaCl. Also the bFe values for LiBr are between 1.5 to 2 times

higher than those corresponding to NaCl. The impact of these differences is represented in the rate of

iron oxidation which is higher in LiBr than in NaCl, which coincides with morphological attributes of

the pits observed under LiBr which shows pits with more extensive damage in comparison with those

formed in NaCl.

2) For hydrogen evolution the i0,Fe values for LiBr are between 1 to 2 order of magnitude

higher than those corresponding to NaCl, but the bH2 values for LiBr are similar than those

corresponding to NaCl. The effect of this is in a lower overpotential needed for carbon steel in LiBr

than in NaCl solutions to obtain similar values of current density.

3) For the oxygen reduction reaction the minor kinetic differences observed between NaCl

and LiBr are attributed to transport properties of the electrolyte. In this case the il,O2 values are the most

influential kinetic parameter and its variability is in full agreement with theoretical predictions.

The kinetic parameters of steel in a mixture NaCl+LiBr at equal molar concentrations present a

degree of asymmetry. This means that while for iron kinetics, NaCl is significantly more influential

than LiBr, for the hydrogen evolution reaction it is just the opposite. For the oxygen reduction reaction

the kinetic parameters are very similar to NaCl and LiBr in respect to the decreasing trend in absolute

values observed at increasing concentration.

ACKNOWLEDGEMENTS

The authors gratefully the financial support through of CICITEM and the project MECESUP-

ANT0709: Fortalecimiento del Programa de Doctorado en Ingeniería de Procesos de Minerales carried out at the Universidad de Antofagasta, Chile.

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© 2015 The Authors. Published by ESG (www.electrochemsci.org). This article is an open access

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