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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
Comportamiento de inhibidores de corrosión orgánicos en la interfaz del acero tipo API-X52.
TESIS PROFESIONAL
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL
P R E S E N T A
Mayra Angélica Jiménez Montañez
ASESOR: Dr. Arturo Manzo Robledo
MÉXICO, D.F. JULIO 2015
AGRADECIMIENTOS
A Dios y a la Virgen de Guadalupe por darme la fuerza para llegar hasta
este punto tan importante de mi vida.
A mi familia por siempre apoyarme, por nunca dejarme sola.
A mi mamá Ma. Estela por ser una gran mujer, el impulso de seguir
adelante siendo ejemplo de lucha y constancia, una mujer incansable, siempre
llena de sonrisas y una palabra de aliento para seguir adelante, impulsándome a
no detenerme y luchar contra todo por alcanzar mis sueños, a mi papá Alvaro por
enseñarme que para obtener lo que se desea hay que luchar y no darse por
vencido, además que cuando hagas cualquier cosa debes de ser el mejor en eso
que estas haciendo, siendo ejemplo de fortaleza en los momentos más sensibles
de nuestras vidas.
A mis queridos abuelitos Alejandro y Concepción, al enseñarme el
significado de la palabra abuelo, por todo su amor y sabios consejos, siendo
ejemplo a seguir, como una guía para luchar por lo que se anhela, por que son
ustedes claro ejemplo de amor y paciencia para compartir la vida hombro con
hombro de quien se ama, gracias por su paciencia para verme crecer.
A mis hermanos J. Guadalupe e I. Gustavo, ya que ustedes son quienes me
enseñaron sobre la fortaleza que se debe de tener para estar en pie de lucha y no
dejarse vencer ante ninguna adversidad.
A mis cuñadas Paloma y Alma, que me han enseñado que el amor lo puede
todo, con paciencia y dedicación, siempre logrando lo imposible.
A mis adorables sobrinos, siendo ellos quienes fueran dueños de grandes
sonrisas y de un amor inmenso que me surge para poder ser un buen ejemplo.
Al amor de mi vida Alberto Cabañas R., por ser tu esa persona que siempre
ha estado a mi lado impulsándome para seguir adelante y no detenerme, por que
3"
con tu amor, ternura y comprensión es posible lograr todo en esta vida, tu que
nunca me dejas sola.
Al Instituto Politécnico Nacional que me permitió formar parte de su familia,
dándome la oportunidad de brindar a mi patria un mejor futuro, haciendo que mi
vida cambiara, brindándome la oportunidad infinita de cumplir mis sueños.
A la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas, que
me formo como Ingeniero Químico Industrial y además como un ser consiente
sobre mis actividades, para distinguir lo bueno y lo malo en el ejercicio de mi
profesión, además como una persona con ética e integridad para el ejercicio de la
misma.
Al Doctor Arturo Manzo, por su dedicación y paciencia, por nunca cerrarme
las puertas a la investigación, por permitirme abrir el vuelo en un mundo nuevo.
A todos ustedes GRACIAS, que Dios los bendiga y guarde siempre.
i"
CONTENIDO !
ÍNDICE DE FIGURAS .............................................................................................. ii
ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................... iii
RESUMEN .............................................................................................................. iv
ABSTRACT .............................................................................................................. v
INTRODUCCIÓN .................................................................................................... vi
Capítulo I Antecedentes ........................................................................................ 1 1.0 Resumen ......................................................................................................... 2 1.1 Corrosión ......................................................................................................... 2 1.2 Proceso de corrosión ...................................................................................... 5 1.3 Cinética de las reacciones de corrosión. ........................................................ 7 1.4 Reacciones electroquímicas que ocurren en el proceso de corrosión del hierro. .................................................................................................................. 13 1.5 Control de corrosión ...................................................................................... 15
Capítulo II Materiales y métodos. ....................................................................... 18 2.0 Resumen ..................................................................................................... 19 2.1 Síntesis de inhibidores. ................................................................................. 19 2.2 Metodología experimental ............................................................................. 22 2.3 Evaluación electroquímica. ........................................................................... 23 · Pendientes de Tafel. ................................................................................... 24 · Impedancia electroquímica (EIS). .............................................................. 25
Capítulo III Análisis de resultados y discusiones. ............................................ 27 3.0 Resumen ....................................................................................................... 28 3.1 Curvas de Polarización ................................................................................. 28
CONCLUSIONES .................................................................................................. 38
PERSPECTIVAS .................................................................................................... 39
REFERENCIAS ...................................................................................................... 40
"
ii"
ÍNDICE DE FIGURAS "
FIGURA 1 DInámica de las especies involucradas en las reacciones de oxido-reducción, presentes en las reacciones electroquímicas de un sistema heterogéneo [51]. 10
FIGURA 2 Representación de las fuerzas eléctricas en la interfaz metal-electrolito [53]. 13
FIGURA 3 Reacciones de corrosión del acero en agua. 14 FIGURA 4 DIagrama de Pourbaix para el H2O, la zona donde se encuentra el
agua representa la estabilidad a la reducción y oxidación [55]. 16 FIGURA 5 Procedimiento de síntesis para el inhibidor amino-imidazolina [74]. 20 FIGURA 6 Forma típica de la molécula del inhibidor amino-imidazolina, así como
de los grupos que lo pueden conformar, imidazolina y amina primaria. 20 FIGURA 7 Desarrollo experimental. 22 FIGURA 8 Celda convencional de tres electrodos (montaje experimental). 23 FIGURA 9 Pendientes de tafel para la evaluación de la velocidad de corrosión 25 FIGURA 10 Potenciostato-galvanostato, tipo AUTOLAB modelo 302 NFRA. 26 FIGURA 11 Perfil de log I – E para el acero API-X52, velocidad de barrido de 20
mVs-1, con diferentes concentraciones de inhibidor amino – imidazolina + HPA, electrolito 0.01M. 29
FIGURA 12 Perfil de log I – E para el acero API-X52, velocidad de barrido de 20 mVs-1, con diferentes concentraciones de inhibidor amino – imidazolina, electrolito 0.01M. 29
FIGURA 13 Perfil de los parámetros cinéticos, potencial (mV), corriente (A), las pendientes anódica y catódica (mVdec-1), contra concentración (µL) del inhibidor amino – imidazolina (A-I) y amino- imidazolina + HPA (A-I+HPA) en HCl 0.01 M. 34
FIGURA 14 Perfil de los parámetros cinéticos, potencial (mV), Corriente (A), las pendientes anódica y catódica (mVdec-1), contra concentración (µL) del inhibidor amino – imidazolina (A-I) y amino- imidazolina + HPA (A-I+HPA) en kKOH 0.01 M. 34
FIGURA 15 Perfil de los parámetros cinéticos, potencial (mV), corriente (A), las pendientes anódica y catódica (mVdec-1), contra concentración (µL) DEL inhibidor amino – imidazolina (A-I) y amino- imidazolina + HPA (A-I+HPA) en NaCl 0.01 M. 35
FIGURA 16 Diagrama de nyquist, para el inhibidor amino-imidazolina + HPA, en HCl. 37
iii"
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1 Pérdidas económicas anuales debido al fenómeno de corrosión en diferentes áreas de producción. 3
TABLA 2 Velocidades de corrosión atmosférica en diferentes ciudades de la Republica mexicana (Proyecto MICAT, 1993). 4
TABLA 3 Composición química del acero API-X52, en % peso [1]. 23 TABLA 4 Eficiencia de los inhibidores amino imidazolina + HPA y amino
imidazolina, a diferentes pH, 0.01M. 31 TABLA 5 Cálculo de la energía libre de gibbs, a pH ácido, básico y neutro, para
los inhibidores en estudio. 32
iv"
RESUMEN
En el presente trabajo se analizo el comportamiento de inhibidores amino
imidazolina y su contra parte modificada con epiclorhidrina (HPA), a una presión y
temperatura ambiente en electrolitos tales como HCl, KOH y NaCl, fueron
estudiados en una superficie metálica de acero comercial (API-X52). Para tal fin,
técnicas electroquímicas como voltametria lineal (polarización) e impedancia
electroquímica fueron empleadas. De acuerdo a los análisis electroquímicos y de
los perfiles I vs E, I vs [C], E vs [C], Pendientes de Tafel vs [C] se encuentra que
i)el mecanismo de inhibición es del tipo mixto y ii) el inhibidor modificado con HPA
es mas eficiente para evitar la oxidación de la superficie metálica.
v"
ABSTRACT "
In this work the behavior of amino-imidazoline-synthesized corrosion-inhibitors and
its counterpart modified with epichlorohydrin (HPA) has been studied at constant
pressure and temperature at different pH (HCl, KOH and NaCl), on a metal surface
of commercial steel (API-X52). For such an approach, electrochemical techniques
as linear voltammetry (polarization) and electrochemical impedance spectroscopy
(EIS) were employed. According to the electrochemical analysis and profiles I vs E,
I vs [C], E vs [C], Tafel-slope vs [C] and EIS it was found that i) the surface-
corrosion inhibition is a mixed-type mechanism and ii) HPA-modified inhibitor is
more efficient to prevent oxidation of the metal surface as a function of pH.
"
vi"
INTRODUCCIÓN
A lo largo de la historia el fenómeno de corrosión ha dado lugar a graves
problemas en la industria debido a que disminuye la vida útil de las piezas
metálicas utilizadas en procesos industriales, como consecuencia tiene grandes
perdidas económicas [1,2]. La prevención de este fenómeno destructivo ha sido
posible a través de recubrimientos especiales, considerando también el uso
polímeros y la modificación de las aleaciones metálicas o bien del medio corrosivo,
además de la protección catódica (ánodo de sacrificio). Además la aplicación de
inhibidores estos pueden ser orgánicos o bien inorgánicos [3,4].
Los inhibidores de corrosión (IC) desde su aparición en 1940, en su tipo inorgánico
hasta su actual forma orgánica [5], ha sido considerado como un método de
aplicación sencilla y de bajo costo, discurriendo las altas eficiencias que
proporcionan al utilizarse [6-8] además de las bajas concentraciones a las que se
aplica, haciendo de esta una buena alternativa para mitigar el fenómeno de
corrosión. Sin embargo, el uso de estos compuestos se ha visto limitado por la
toxicidad que presentan, dando lugar a diversas investigaciones, indicando que los
inhibidores orgánicos son compuestos amigables con el ambiente, capaces de
proteger a los materiales metálicos, ya que se adsorben sobre la superficie y
bloquean los sitios activos del material, algunos de estos compuestos son amidas,
aminas, imidazolinas y piridinas, por mencionar algunos. Estos productos tienen
como base carbono, nitrógeno, fosforo o sulfuros [9-13,19]. Basados en los
buenos resultados de los inhibidores orgánicos para disminuir la corrosión, en el
presente trabajo se desarrolló una metodología de análisis electroquímico a través
de polarización, pendientes de Tafel e impedancia, para caracterizar los procesos
de corrosión en el acero comercial API-X52 y su inhibición usando agentes
químicos de tipo amino-imidazolina. Cabe mencionar que cada inhibidor se
comporta diferente, debido a la composición química intrínseca. Por lo tanto las
concentraciones utilizadas son diferentes, así como el porcentaje de eficiencia que
pueden tener, ya que a medida que se aumenta la concentración de inhibidor en
un principio aumenta la eficiencia [16].
vii"
La síntesis de inhibidores del tipo amino se ha realizado utilizando condensación
en etanol del 2-8 dinitrodibenzotifeno [14]. Sin embargo, para la obtención de los
inhibidores del presente trabajo se llevo a cabo con ácido oleico y dietilentriamina,
debido a las altas eficiencias de producción obtenidas a través de estos
compuestos. Para comprender el fenómeno de corrosión se aplican técnicas
electroquímicas como polarización potenciodinámica e impedancia electroquímica,
voltametría cíclica y lineal, y cronoamperometria [15]. La aplicación de estas
técnicas con ayuda del equipo adecuado y el uso de un software conveniente,
proporciona datos sobre la cinética de las reacciones involucradas en el proceso
de corrosión. Existen métodos que se basan en el análisis de la superficie de los
materiales como perdida de peso, difracción de rayos X, entre otras [17], como
complemento para analizar la destrucción de las superficies metálicas expuestas.
La corrosión es un fenómeno electroquímico determinado por dos reacciones una
de tipo anódico (cede electrones) y una de tipo catódico (capta electrones),
conocidas también como oxidación y reducción respectivamente. Ambas
reacciones dependen del medio en donde se desarrolle [18] las cuales se llevan a
cabo al mismo tiempo y de forma espontanea.
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Capítulo I Antecedentes
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1.0 Resumen
En este capítulo se presenta una breve descripción del proceso de corrosión y las
reacciones de oxido-reducción que se llevan a cabo a diferente pH, así como las
diferentes alternativas utilizadas para el control de este fenómeno destructivo,
haciendo énfasis en inhibidores de tipo orgánico.
1.1 Corrosión
El deterioro de los materiales debido al ambiente donde se encuentran [13,20-23]
es una forma de definir a la corrosión. Este fenómeno ha representado un grave
problema en la industria, ya que disminuye la vida útil de los materiales
específicamente para las piezas metálicas, las cuales se fracturan debido al
adelgazamiento teniendo como consecuencia su reemplazo y por tanto grandes
perdidas económicas y humanas. La velocidad a la cual se lleva a cabo la
corrosión esta determinada por tres factores principalmente i) el ambiente donde
se encuentra el metal [24], ii) la composición y micro estructura de la aleación y iii)
las propiedades de la película formada en la interfaz metal-electrolito [25,26]. En
Estados Unidos en el año 2002 se publicó un estudio sobre los costos que genera
la corrosión en cinco diferentes áreas de producción, Tabla 1 [3]. En la década de
los 60’s el costo debido a este fenómeno destructivo se considero como un
centavo de cada dólar [27].
Basándose en estudios realizados en años recientes, se observan mayores
pérdidas en los servicios de agua, electricidad, gas y telecomunicaciones,
traduciendo estas pérdidas en casi 48 billones de dólares, proporcionando un
breve panorama sobre la cantidad de dinero que se pierde a causa de este
fenómeno.
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Tabla 1 Pérdidas económicas anuales debido al fenómeno de corrosión en
diferentes áreas de producción [3].
Área de producción Porcentaje (%) Costo (billones de
dólares)
Servicios (gas, agua, telecomunicaciones, electricidad)
34.7 47.9
Producción y manufactura 12.8 17.6
Infraestructura 16.4 22.6
Transporte 21.5 29.7
Gobierno (Departamento de defensa)
14.6 20.1
La corrosión en México, provoca pérdidas económicas millonarias debidas a la
inspección, reparación y reposición de las piezas metálicas [28] e incluso humanas
por explosiones, que provocan muertes; contaminación, derivada de derrames
petroleros; o daños en las partes metálicas, de oleoductos, plataformas petroleras,
tuberías de agua, puentes, calefacciones domésticas o tubos de escape de autos.
Si se toman en cuenta estimaciones internacionales de los costos de corrosión y
que el PIB de México en 2012 fue de 9 mil 530 billones de dólares (según datos
del Fondo Monetario Internacional), se hablaría de una pérdida por corrosión de
entre 285 y 381 billones de dólares en ese año, es decir entre 3 y 4% del PIB.
Curiosamente el 30 por ciento de esos gastos podrían evitarse si se tomaran las
medidas preventivas adecuadas de mantenimiento y protección, lo que se sabría
si se tuviera el conocimiento pertinente; en este caso en electroquímica [29].
Considerando de gran importancia a la corrosión de tipo atmosférica, ya que
representa la segunda causa mas frecuente de la destrucción de las piezas
metálicas [30], en la tabla 2 se muestran los resultados de un estudio realizado a
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mediados de los años noventa en diversas ciudades en México [31]. En la cual se
muestra la velocidad de corrosión durante tres años, en diferentes tipos de
metales.
Tabla 2 Velocidades de corrosión atmosférica en diferentes ciudades de la
Republica Mexicana (Proyecto MICAT, 1993).
Corrosión (micras/año)
Acero al carbón Acero galvanizado Aluminio
Años 1 2 3 1 2 3 1 2 3
México D.F. 15.4 8.6 5.1 0.81 0.83 0.81 -- 0.08 0.016
Cuernavaca 15.2 11.4 13.7 1.16 1.99 0.95 0.14 0.11 0.46
San Luis Potosí
37.5 26.4 29.4 1.39 2.95 0.98 0.62 0.46
Acapulco 22.6 24.8 18.8 1.71 2.44 1.23 2.46 1.70 0.73
Veracruz 673.4 418.8 313.7 4.4 19.34 -- 0.337 8.76 --
Sin embargo, los efectos de la corrosión también se reflejan en nuestra vida diaria
por ejemplo en el hogar, el fenómeno se observa directamente en el automóvil, el
enrejado del patio o las ventanas, en las herramientas metálicas.
Una de las consecuencias más serias sucede cuando por ejemplo, en un puente
de una avenida o carretera puede ocurrir la corrosión de la varilla de acero de
refuerzo del concreto, que puede fracturarse, consecuentemente, provocar la falla
de alguna sección; de la misma manera, puede producirse el colapso de las torres
de transmisión eléctrica. Estos efectos podrían dañar construcciones, edificios,
parques y otros, además implicarían una reparación costosa [32] además de los
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costos generados por accidentes humanos .
Un ejemplo se tiene en la industria es la petrolera, ya que presenta una amplia
variedad de ambientes corrosivos. El crudo y el gas contienen comúnmente agua,
sulfuro de hidrógeno o dióxido de carbono, o una combinación de ambos [33]. La
presencia de H2O, H2S y CO2, micro-organismos e impurezas (como cloruros y
cianuros), promueven el proceso de corrosión [34-36]. Además, las altas
presiones, temperaturas y flujo [37] utilizados en el proceso, incrementando aún
más la agresividad del medio. Debido a estas condiciones tan agresivas, el
transporte de este tipo de productos trae como consecuencia fallas por corrosión
en los sistemas de conducción [38]. Los principales daños se presentan en los
oleoductos y gaseoductos ya que se tiene la pérdida excesiva de metal (corrosión
uniforme), agrietamiento inducido por hidrógeno, fragilizado por hidrógeno [39],
agrietamiento por corrosión debida a la tensión o agrietamiento en presencia de
sulfuro.
1.2 Proceso de corrosión
El fenómeno de corrosión se puede clasificar según criterios muy variados, a
continuación se presenta una clasificación basada en un ataque uniforme sobre la
superficie de los materiales
! Corrosión atmosférica: Se debe a la exposición con el aire y sus
contaminantes. Es conocida como la forma más antigua de corrosión y a su
vez la que mayor costo representa, se puede clasificar de acuerdo a los
mecanismos de ataque.
! Corrosión galvánica: Se caracteriza por tres propiedades, ya que se da en
materiales eléctricamente cargados. Las tres características están
relacionadas con electrolito en común, materiales con diferente potencial y
trayectoria eléctrica semejante. Estos factores son determinantes para que
exista un flujo de electrones (corriente), para el desarrollo de una zona
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anódica y una catódica en el sistema, obteniendo un diferencial de potencial
entre los metales.
! Corrientes perdidas: Este tipo de corrosión se debe a la pérdida de
corriente en malas conexiones eléctricas, la cual pasa a través de algún
medio que pueda funcionar como electrolito (suelo y/o agua) por lo tanto se
tiene flujo de corriente, promoviendo a la destrucción de los materiales.
! Altas temperaturas: Cuando los metales se exponen a altas temperaturas
en presencia de gas el metal reacciona dando lugar a su oxidación. La
temperatura es un factor que promueve la corrosión de los materiales. Sin
embargo, existe la posibilidad que al oxidarse, el material se proteja con
una película; esto dependerá de la preferencia de las especies generadas
en la superficie metálica.
! Corrosión-erosión: Se debe a la combinación de una reacción
electroquímica y el choque de solidos y líquidos.
! Corrosión por lixiviación: Este tipo de corrosión se debe a la disolución
selectiva de uno de los materiales sólidos involucrados, dando lugar a la
formación de una capa porosa de metal más noble [40]
Además de esta clasificación se debe considerar la posibilidad de un ataque
localizado, que se puede describir de la siguiente forma:
1. Corrosión Filiforme: Se caracteriza por la formación de películas orgánicas
gruesas, éstas crecen de forma aleatoria por defecto de alguna rasgadura
en el recubrimiento del material. Los filamentos son finos túneles que por
debajo tiene productos de corrosión.
2. Ataque Biológico: Este tipo de corrosión se acentúa debido a ambientes
que promuevan los sistemas aeróbico y anaeróbico (como en suelos) para
dar lugar a la formación de ácidos orgánicos. Se debe considerar el tipo de
suelo y el pH.
3. Picaduras: Se define como el tipo de corrosión más agresivo debido a las
fracturas que ocasiona a los materiales. Este tipo de corrosión surge de la
fractura de la película pasiva que recubre los materiales. El grado de
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corrosión que sufren las piezas metálicas depende del tamaño y el número
de picos [41-44].
4. Por Hendidura: Los espacios abiertos entre metal-metal y no metal-metal
tiene mayor promoción de la destrucción del material, particularmente para
los aceros inoxidables [45].
La corrosión localizada casi siempre termina con las partes metálicas debido a
fracturas [46].
1.3 Cinética de las reacciones de corrosión.
Las reacciones espontáneas se caracterizan por la transferencia de carga,
transformando sustancias y generando corriente; dando lugar al flujo de
electrones, descrito por la siguiente expresión.
∆G = −nFE
En la cual ΔG representa la energía libre de Gibbs J/mol, n el número de
electrones transferidos en la reacción, F es la constante de Faraday 96,500 C/mol
y E el potencial de la celda en volts [47, 48]. Las mediciones electroquímicas
permiten conocer los parámetros cinéticos de las reacciones que se llevan a cabo
de forma instantánea en un sistema electrodo-electrolito [49]. Si bien la cinética de
las reacciones se relaciona directamente con la velocidad a la cual se llevan a
cabo con la ecuación (1.2).
!! =
!∗!"!∗!
Donde el cociente de m/t representa la cantidad de masa perdida (gramos) por
unidad de tiempo (segundos), I es la intensidad de corriente en (A), PM es el peso
molecular del acero (g/mol), n el número de electrones transferidos y F la
constante de Faraday (96,500C/mol). El estudio del fenómeno de corrosión esta
basado en la aplicación de técnicas electroquímicas. A lo largo de la historia se
han realizado hipótesis sobre el comportamiento de los sistemas electroquímicos,
(1.1)
(1.2)
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uno de ellos fue Tafel en el año 1905, quien dedujo a partir de la reacción de
reducción de un protón, la ecuación de polarización de un electrodo
reversiblemente polarizable, a través de las expresión 1.3.
En donde η representa el sobrepotencial, a y b componentes de las rectas que
forman la recta de Tafel e i es la corriente durante el proceso, válida para un
sistema alejado del equilibrio, es decir, un valor de corriente suficientemente
grande. Sin embargo, Tafel considero la reacción de reducción del protón con
valor del sobre potencial infinito, y considero que la reacción electroquímica es
más rápida que la reacción química (para el caso del hidrógeno), es decir impuso
que la etapa química es la que impone la velocidad de reacción. El día de hoy se
sabe que la etapa electroquímica del proceso también puede ser la reacción
limitante en el proceso.
Las modificaciones hechas a la ecuación (1.3), dieron lugar a teorías modernas
como la de Bulter y Volmer. Bulter en 1924 realizo una propuesta en 1924, para
1930 Erdey-Cruz Volmer realizo avances hasta llegar a su forma casi definitiva.
Frumkin en Rusia, utilizó y aplicó esta teoría sin obtener éxito alguno, y algunos
otros como Audubert en Francia y Bowden en Inglaterra, fue hasta 1949 con la
creación de Comité Internacional de Termodynamique et Cinétique
Electroquimique (CITCE), ahora Conocido Como International Society of
Electrochemistry (ISE). En la teoría de Bulter-Volmer se hace posible obtener la
velocidad de un proceso electroquímico, considerando que la velocidad de
transferencia de carga es la que rige el proceso global ecuación (1.4).
i = i! exp!!!"!! − exp
!!!"!!
η= a + b log(i) (1.3)
(1.4)
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(1.5) Pendiente anódica.
Pendiente catódica.
Donde i representa la corriente para el proceso, i0 la corriente del proceso al inicio,
α y β los coeficientes de transferencia de carga, n es el número de electrones
transferidos, R la constante de los gases, T la temperatura a la que se lleva a cabo
el experimento, η el sobre potencial y F es la constante de Faraday.
Es posible que las pendientes de las curvas anódica y catódica correspondientes a
polarización, se obtengan a partir de las ecuaciones (1.5 y 1.6).
!!! !!.!!!"
!!!.!!!"
La primera corresponde a la pendiente anódica y la segunda para pendiente
catódica. Cabe destacar que en el equilibrio la corriente total es cero, ya que en
este punto existe la misma velocidad en ambos sentidos, por lo tanto la cinética de
la reacción es nula.
La electroquímica se encarga de estudiar las reacciones químicas debidas a
fenómenos eléctricos y viceversa [50]. En el proceso electroquímico de corrosión
en la interfaz metal-electrolito se llevan a cabo dos reacciones de forma
simultánea, una de oxidación y la otra de reducción, como se muestra en la Figura
1 [51].
(1.6)
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Figura 1 Dinámica de las especies involucradas en las reacciones de oxido-reducción, presentes en las reacciones electroquímicas de un sistema
heterogéneo [51].
Para el desarrollo de un análisis electroquímico se pueden utilizar los diagramas
potencial-pH, también conocidos como diagramas de Pourbaix, son
representaciones gráficas de la estabilidad de un metal y sus productos de
corrosión en función del potencial y el pH. Tales diagramas se construyen a partir
la ecuación de Nernst (1.7) donde se muestran tres zonas bien definidas: una
zona de inmunidad, donde el metal permanece en forma metálica; una zona de
corrosión, donde el metal pasa a una forma iónica; y una zona pasiva donde el
metal forma capas de productos con el oxígeno y el hidrógeno, que podrían inhibir
el proceso corrosivo. Estos diagramas pueden ser utilizados para predecir la
dirección espontánea de reacciones, estimar la estabilidad y la composición de los
productos de corrosión así como predecir los cambios ambientales que eviten o
reduzcan la corrosión. Sin embargo, es importante destacar las limitaciones en el
uso de estos diagramas, los cuales representan solo condiciones de equilibrio y
por lo tanto no predicen la velocidad de reacción.
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(1.11)
E = E! − !"!" ln!(a)
De la cual E es el potencial reversible a condiciones diferentes de la estándar, E0
es el potencial de la celda a condiciones estandar, R es la contantes de los gases
ideales, T es la temperatura a la cual se lleva a acabo, n el número de electrones
transferidos en la reacción, F es la constante de Faraday (96,500C/mol) y a es el
cociente de la concentración de los productos y reactivos de la reacción.
La reacción de oxidación es aquella donde alguna de las especies involucradas
cede electrones, esta reacción también es denominada anódica, ecuación (1.8).
Los electrones cedidos en la oxidación son aceptados en la reacción de reducción,
también conocida como catódica, ecuación (1.9).
Las reacciones electroquímicas descritas se llevan a cabo en medio acuoso, por lo
tanto serán diferentes de acuerdo al pH [52]. Las reacciones de reducción del
oxígeno en los medios básico o neutro tiene lugar de acuerdo a la ecuación (1.10).
Para el medio ácido se tiene la reacción catódica del oxígeno, de acuerdo a la
siguiente ecuación (1.11) [53].
A A2+ + 2e-
B2+ + 2e- B
½ O2 + H2O + 2e- 2OH-
½ O2 + 2H+ + 2e- H2O
(1.8)
(1.9)
(1.10)
(1.7)
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Sin embargo, también puede darse la reducción del agua en base a la reacción
representada en la ecuación (1.12).
La ecuaciones anteriores describen el intercambio de electrones que existe en las
reacciones de oxido-reducción. Las fuerzas eléctricas en el límite del metal y el
electrolito, se deben a que en una de las fases (metal o electrolito) se adquiere
una carga neta o exceso de carga y la otra fase responde al estimulo, cada una de
signo opuesto. Las cargas que se forman entre el metal y el electrolito se conoce
como campo eléctrico.
Se denomina doble capa eléctrica a la ordenación de cargas y dipolos, una con
carga negativa y otra positiva. Este concepto se ha transformado debido a una
mayor comprensión de los fenómenos eléctricos en la interfaz de los materiales.
La existencia de las fuerzas que dependen de la dirección de los limites de las
fases, adoptando una distribución en los limites. Las partículas pueden estar
cargadas o ser dipolos, produciendo redistribución de las partículas y electrización
de las interfaz, generando diferencias de potencial. Este efecto se puede tener si
el material contiene cargas libres (electrones o iones) o bien por la aparición de
reacciones de transferencia de carga [53]. La Figura 2 representa las fuerzas
eléctricas en la interfaz del sistema metal-electrolito.
2H2O + 2e- H2 + 2OH- (1.12)
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Figura 2 Representación de las fuerzas eléctricas en la interfaz metal-electrolito [53].
1.4 Reacciones electroquímicas que ocurren en el proceso de corrosión del hierro.
El hierro es el metal involucrado directamente en la transferencia de carga, es
decir, de la reacción electroquímica de oxidación, representado en la ecuación
(1.13), Figura 3.
La reacción de reducción simultanea a la oxidación del hierro, en medio acuoso se
encuentra en la ecuación (1.14).
Fe0 Fe2+ + 2e- (1.13)
2H+ + 2e- H2 (1.14)
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Durante el proceso de corrosión la reducción de hidrógeno no es la única reacción
catódica que se lleva a cabo, también puede darse en el Fe2+, es decir, en los
productos de oxidación, descrito en la ecuación (1.15).
Figura 3 Reacciones de corrosión del acero en agua.
La influencia de las reacciones correspondientes a la corrosión del hierro
dependen del medio en el que se lleven a acabo. Por ejemplo para soluciones con
pH entre 4 y 12 se tiene un dominio catódico, debido a la reducción del oxígeno,
promoviendo la interacción metal-electrolito. Para soluciones con ácido sulfúrico el
mecanismo de disolución esta dado por las ecuaciones (1.16) y (1.17), ya que con
el aumento de la concentración de OH- se forma Fe(OH)+.
Fe2+ Fe3+ + e- (1.15)
Fe(OH)2 Fe(OH)+ + e-
(1.16)
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La velocidad de destrucción de los metales bajo el fenómeno de corrosión está
determinada por la transferencia de carga, aún cuando el dominio sea anódico o
catódico [54].
1.5 Control de corrosión
Las pérdidas económicas ocasionadas por corrosión han llevado al desarrollo de
métodos y materiales que permitan disminuir la velocidad a la que se lleva a cabo.
Para el control de la corrosión se pueden manipular las variables de proceso como
la velocidad del fluido, temperatura, pH (la influencia de pH se muestra en la
Figura 4, diagrama de Pourbaix) [55] y presión. Además se pueden utilizar
revestimientos los cuales pueden ser reconocidos como aquella sustancia capaz
de separar al electrodo del electrolito. Estos revestimientos pueden ser metálicos
(metales nobles, metales nitrados) [56] o continuos (como pinturas y lacas),
resinas epóxicas y sus derivados, los cuales tienen alta resistencia a los diferentes
medios aplicados [57]. Existen métodos de protección electroquímicos, anódico y
catódico, este último es el más utilizado, un ejemplo es el ánodo de sacrificio.
Cabe mencionar que los subproductos de la corrosión pueden disminuir la
velocidad de corrosión [58-59].
Fe(OH)+ Fe2+ + OH- (1.17)
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Figura 4 Diagrama de Pourbaix para el H2O, la zona donde se encuentra el agua representa la estabilidad a la reducción y oxidación [55].
También se ha realizado la modificación de la superficie metálica con galvanizado,
fosfatado o un estabilizador de óxidos. Además se puede realizar la aplicación de
corrientes para disminuir el potencial en el cátodo, con uso en aleaciones de
aluminio. También se han utilizado aleaciones con propiedades de mayor
resistencia, las cuales han alcanzado eficiencias de hasta 95%, pero el costo es
muy elevado. En contra parte se ha realizado modificación del medio (electrolito) a
través del uso de materiales neutralizantes en medios ácidos y aplicando
inhibidores de corrosión (IC), los cuales debido a sus propiedades tan favorables
para disminuir la corrosión son muy utilizados. Estos pueden clasificarse como
secuestrantes, fílmicos, orgánicos o de interfaz, estos últimos a su vez se dividen
en mixtos, anódicos y catódicos [49,60-62]. De acuerdo a las elevadas eficiencias,
bajo costo y baja toxicidad [63], el uso de inhibidores de corrosión es más
frecuente en la industria. Se define a los inhibidores de corrosión como aquella
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sustancia química capaz de disminuir la corrosión de forma eficiente, a bajas
concentraciones. Se basa en la formación de películas protectoras en la interfaz
metal-electrolito [64] ya que involucra la fuerza de adsorción de las moléculas
sobre los sitios activos del metal [24,65], los inhibidores de corrosión deben contar
con las siguientes características.
! El componente principal del inhibidor debe ser totalmente soluble en la
adición de solvente.
! Debe de ser eficiente a bajas concentraciones.
! Con alta capacidad para formar películas protectoras sobre el metal.
! Al aplicarse a concentraciones que rebasen la indicada no debe favorecer
la corrosión.
El uso de inhibidores lleva de la mano la toxicidad de éstos, debido a ésta
característica se han buscado alternativas amigables y se ha encontrado que los
compuestos orgánicos que tienen como base en su estructura molecular
nitrógeno, oxígeno y fosforo cumplen con esta condición eco-amigable. Las
imidazolinas y sus derivados se caracterizan por su solubilidad en el agua, por lo
que son consideradas como una buena alternativa de inhibidor orgánico. Este tipo
de compuestos tienen la capacidad de adsorberse sobre la superficie del metal,
evitando que se lleven a acabo las reacciones de oxido-reducción [40,47,66-67].
Los inhibidores son compuestos que constantemente se encuentran en proceso
de innovación e investigación, ya que su eficiencia depende de la estructura
metálica en la que va a ser aplicado, así como de la estructura molecular y del
tamaño, considerando también los centros activos de adsorción. Las moléculas
activas de nitrógeno, oxígeno, azufre y/o fosforo que conforman a las imidazolinas
son las encargadas de llevar a cabo la adsorción en la interfaz metal-electrolito,
creando una barrera que reduce el área susceptible a ser atacada [47,68-69]. La
energía de adsorción entre el inhibidor y el metal, se describe como la energía
entre las moléculas de hierro y nitrógeno correspondientes [70].
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Capítulo II
Materiales y métodos.
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2.0 Resumen "
En el presente capítulo se describe la síntesis de los inhibidores amino imidazolina
y de su contraparte modificado con epiclorhidrina, así como las técnicas de
caracterización electroquímica polarización potenciodinámica e impedancia
electroquímica (EIS), en presencia y ausencia de los inhibidores, a diferentes
concentraciones.
2.1 Síntesis de inhibidores. "
Existen diversos tipos de inhibidores orgánicos que auxilian en la disminución de
la velocidad de corrosión de metales en ambientes acuosos, la síntesis de estos
inhibidores involucran algunas moléculas como ciclohexil amina, diclohexilamina
nitrada, etanolamina, ácido benzoico, tiofenol, cromatos, ácidos carboxílicos,
benzoatos, nitritos, nitratos e imidazolinas [71]. Por ejemplo para la obtención de
azometina se utilizan grupos imina y azo (piridina), los cuales se someten a las
condiciones de operación pertinentes para poder obtener un compuesto nitrado
capaz de disminuir el fenómeno de corrosión [72]. Otro ejemplo es la obtención de
2-alquil-imidazolina, que consiste en el conjunto de reacciones correspondientes a
la reacción térmica entre 1-2 diaminas y ácidos carboxílicos (120°C), que llevan a
obtener una amida intermediaria, que al mezclarse a elevadas temperaturas y baja
presión (190°C), el ciclo de la imidazolina se reduce y reacciona con un aldehído.
Este método de síntesis reporta eficiencias de hasta 80%, bajo condiciones de
presión atmosférica entre de 6 y 9 días [73]. Debido a la elevada eficiencia para
obtener el inhibidor bajo condiciones de elevadas temperatura y baja presión, en el
presente trabajo se realizo la síntesis del inhibidor amino-imidazolina bajo el
procedimiento que se describe en la Figura 5 [74].
Para llevar a cabo la síntesis y con la finalidad de evitar accidentes se recomienda
realizar el procedimiento bajo condiciones de seguridad, atendiendo a esta
necesidad se exhorta el uso de guantes, casco, botas industriales, bata de
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algodón manga larga, así como lentes de seguridad.
"
Figura 5 Procedimiento de síntesis para el inhibidor amino-imidazolina [74].
La forma típica de una molécula de amino-imidazolina se presenta en la Figura 6.
"
Figura 6 Forma típica de la molécula del inhibidor amino-imidazolina, así como de los grupos que lo pueden conformar, imidazolina y amina primaria.
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2.2 Metodología experimental El desarrollo experimental del presente trabajo se muestra en la Figura 7.
"
Figura 7 Desarrollo experimental.
Como electrolitos se utilizaron soluciones de HCl, NaCl y KOH, a una
concentración de 0.01 M cada una. La composición de cada uno de los electrolitos
se describe a continuación. Para la solución ácida se agrego un volumen de 0.8mL
de acido clorhídrico al 98% de pureza, el electrolito alcalino requirió de 56.10g de
hidróxido de potasio, la solución básica se preparo a partir de 58.44g de sal
(cloruro de sodio), las cantidades descritas fueron utilizadas en un litro de agua
desionizada. Los electrolitos fueron preparados en base al concepto de molaridad
de las soluciones. El electrodo de trabajo que se utilizo es una placa de acero API-
X52 montada en resina con área de trabajo de 1 cm2.
La composición del acero comercial API-X52 se describe en la Tabla 3. La
superficie del electrodo de trabajo primero fue pulida con lija grado 400 para
posteriormente hacerlo con lija grado 600, ambos desbastes se realizaron en
presencia de agua; el desbaste se llevo a acabo en el equipo SPECTRUM
SYSTEM 1000TM (LECO). Este procedimiento se realizo hasta obtener superficie
homogénea y con apariencia tipo espejo.
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Tabla 3 Composición química del acero API-X52, en % peso [1].
Elemento C Mo Si P S Ni V Cu Fe
% 0.24 0.001 0.05 0.018 0.014 0.020 0.092 0.01 99.543
2.3 Evaluación electroquímica.
En la aplicación de las técnicas electroquímica de polarización, pendientes de
Tafel e impedancia se utilizo una celda convencional de tres electrodos; electrodo
de referencia (ER, calomel saturado, como solución de referencia se utilizo KCl
1.0M), contra electrodo (placa de grafito, CE) y electrodo de trabajo (ET) acero
comercial API-X52, como se observa en la Figura 8. La celda electroquímica es el
dispositivo en donde se van a llevar a cabo las reacciones químicas debidas a
fenómenos eléctricos.
"
Figura 8 Celda convencional de tres electrodos (montaje experimental).
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Se han realizado diversos estudios sobre la cinética y los mecanismos de reacción
de la corrosión del acero en diferentes ambientes, y ha quedado establecido que
tanto la cinética como el mecanismo de reacción dependen de la composición del
medio agresivo, es decir, de la presencia de CO2, H2S y Cl-, entre otros, así como
de las condiciones de operación, la temperatura, presión y velocidad del fluido [75-
77]. Para identificar esa dependencia se aplicaron diferentes técnicas como
potencial a circuito abierto, polarización potenciodinámica, impedancia
electroquímica que son utilizadas para determinar el comportamiento de los
inhibidores desde hace ya varias décadas [78-79]. Estas técnicas son la base
fundamental para la evaluación electroquímica en éste trabajo, se realizo en base
a las siguientes características: uso de los inhibidores amino imidazolina con
epiclorhidrina y amino imidazolina, utilizando las técnicas polarización
potenciodinámica, pendientes de Tafel e impedancia electroquímica. Las pruebas
se realizaron en presencia y ausencia de inhibidor.
La técnica de polarización, pendientes de Tafel, permiten estudiar los fenómenos
ocurridos en la superficie metálica al aplicar un potencial, y a partir de estos
resultados estudiar los fenómenos ocurrido en la interfaz metal-electrolito. La
impedancia electroquímica describe la resistencia eléctrica mediante circuitos de
corriente alterna, que pueden ser analizados como circuitos eléctricos que además
involucran capacitancias, inductancias y resistencias, depende de la frecuencia
aplicada
• Pendientes de Tafel.
La técnica de pendientes de Tafel tiene su fundamento en la determinación de la
velocidad de corrosión, a través de curvas de polarización, ya que estas curvas se
encargan de mostrar como es que se afectan las reacciones anódica y catódica en
ausencia y presencia de inhibidor [80], involucrando la extrapolación de corriente
en las regiones anódica y catódica, correspondientes al potencial de corrosión de
los materiales [81], Figura 9.
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Se aplicaron los inhibidores amino-imidazolina y su contraparte a las
concentraciones de 10, 20 y 25µL para los electrolitos HCl y KOH; para el pH con
NaCl se analizaron a las concentraciones de 15, 20 y 30µL. Aplicando purga de
argón durante 10 minutos, se llevo a acabo un barrido de potencial entre -400 mV
y 800 mV, con respecto al potencial Ei=0, la velocidad aplicada fue 20 mVs-1. (
(
(
(
(
(
(
(
(
Figura 9 Pendientes de Tafel para la evaluación de la velocidad de corrosión
"
• Impedancia electroquímica (EIS).
Con esta técnica es posible conocer en detalle los fenómenos de transferencia de
carga. Aplicando pulsos en corriente alterna de diferentes frecuencias. Debido a
esta condición el potencial y la corriente esta dada por la Ley de ohm donde
V=IR, de manera análoga para impedancia la resistencia se describe como Z, la
cual depende de la frecuencia de la señal aplicada, V(t)=Z(ω)I(t) [82-83].
En la aplicación de esta técnica se utilizaron concentraciones de 10 y 30µL de
inhibidor amino-imidazolina con epiclorhidrina, purga de argón durante 10 minutos,
en el intervalo de frecuencia de 100,000–0.1 Hz, con respecto al potencial Ei=0.
Todas estas pruebas se realizaron en un equipo AUTOLAB modelo 302 NFRA,
potenciostato-galvanostato, el cual consiste en una fuente de potencial, un
voltímetro electrónico y una fuente de corriente, conectados de forma particular. El
potenciostato monitorea la corriente, de forma que es capaz de medir las
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velocidad de las reacciones de transferencia de carga en la interfaz metal-
electrolito. Los datos fueron adquiridos a través del software NOVA.
"Figura 10 Potenciostato-galvanostato, tipo AUTOLAB modelo 302 NFRA.
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Capítulo III Análisis de resultados
y discusiones.
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3.0 Resumen
En este capítulo se presenta el análisis de los resultados obtenidos a partir de la
aplicación de las técnicas electroquímicas de polarización potenciodinámica,
correspondientes a los inhibidores amino-imidazolina con epiclorhidrina y amino-
imidazolina a diferentes pH, así como impedancia electroquímica, para el inhibidor
con mejor desempeño protector.
3.1 Curvas de Polarización
Los resultados de polarización lineal fueron obtenidos a temperatura ambiente
(20°C) con velocidad de barrido de 20 mVs-1 considerando potenciales de -200 mV
y + 200mV con respecto al potencial a circuito abierto del acero comercial API-X52
para obtener las eficiencias de cada inhibidor a diferentes concentraciones. Las
curvas de polarización representan la respuesta corriente-potencial, a diferentes
pH y a concentraciones de inhibidor de 10, 15, 20, 25 y 30 µL, dadas por los
perfiles Log I – E, Figuras 11 y 12. Estos perfiles demuestran que ambos
inhibidores cuenta con un desplazamiento en el potencial y en el valor de la
corriente determinando que se trata de inhibidores de tipo mixto [84]. En estudios
anteriores para los electrolitos HCl, NaCl y KOH los potenciales fueron
establecidos entre -550mV hasta -750mV [85-90] proporcionando una referencia
sobre los potenciales a encontrar durante polarización en cada medio, validando
los resultados obtenidos, para EHCl=-0.6188V, ENaCl= -0.663V y EKOH= -0.712V.
La curvas de polarización cuentan con cuatro regiones fundamentales de procesos
electroquímicos relacionados con la corrosión, con desplazamiento ligero del
potencial, la pasivación del metal, la transpasivación y la zona activa [91]. Cabe
mencionar que el fenómeno de corrosión depende principalmente de dos factores
i) el tipo de material, ii) el ambiente en el que se encuentra o bien en donde se
realiza la prueba [92].
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1E-61E-51E-41E-3
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
Referencia 10µL 25µL
E/V
HCl
1E-81E-71E-61E-51E-4
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
Referencia 10µL 20µL
Log I/A
KOH
1E-81E-71E-61E-51E-4
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
Referencia 10µL 20µL
NaCl
"
Figura 11 Perfil de Log I – E para el acero API-X52, velocidad de barrido de 20 mVs-1, con diferentes concentraciones de inhibidor amino – imidazolina + HPA,
electrolito 0.01M.
1E-6 1E-5 1E-4 1E-3
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4 Referencia 15µL 20µL
Referencia 10µL 25µL
Referencia 10µL 25µL
EV
Log I/A
HCl
1E-7 1E-6 1E-5 1E-4
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
KOH
1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
NaCl
"
Figura 12 Perfil de Log I – E para el acero API-X52, velocidad de barrido de 20 mVs-1, con diferentes concentraciones de inhibidor amino – imidazolina, electrolito
0.01M.
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La disminución de la densidad de corriente en las curvas de polarización se debe
a la adsorción del inhibidor en la superficie del metal, mientras que el
desplazamiento de potencial indica que existe una modificación en la cinética de
las reacciones anódica y catódica, correspondientes a la evolución de oxígeno y
de hidrógeno [93-97]
La corriente y la concentración tienen comportamiento inversamente proporcional:
al aumentar las concentraciones del IC disminuye la corriente [85,98], de tal forma
que al aumentar la concentración de inhibidor aumenta la eficiencia, Tabla 3.1.
Además la corriente varía en función del pH [99], Figuras 11 y 12. Estos
fenómenos se deben a que la corriente representa el flujo de electrones en el
metal y de iones en el electrolito [100], es decir, las reacciones de oxido-reducción
propias del proceso de corrosión. Bajo este contexto a medida que el valor de la
corriente de corrosión (Icorr) disminuye menor es el desgaste de la parte metálica
expuesta.
Debe mencionarse que el inhibidor presenta un máximo en la eficiencia a
determinas concentraciones, después de ésta concentración presenta una
disminución sobre el efecto inhibidor. Es decir, disminuye la eficiencia del
inhibidor; este fenómeno se presenta a 25 µL para NaCl y 30 µL en HCl, para el
electrolito con KOH el inhibidor modificado disminuye la eficiencia a 15 µL y el
contraparte sin modificar en 30 µL. Para el cálculo de las eficiencias se utilizo la
ecuación (3.1).
η = !!!![!]!!
∗ 100!!
Donde η es la eficiencia en %, I0 es la corriente del blanco en [A], I[C] es la
corriente en las diferentes concentraciones en [A]. Calculando las eficiencias para
los diferentes pH y concentraciones de los inhibidores se demuestra que el
inhibidor modificado con epiclorhidrina (HPA) es mas eficiente que el inhibidor
ausente de HPA los resultados se presentan en la Tabla 4. Debe mencionarse que
(3.1)
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para el inhibidor modificado con HPA en KOH presenta su máximo de eficiencia a
10 µL, mientras que para el inhibidor sin modificar es a 25 µL.
Tabla 4 Eficiencia de los inhibidores amino imidazolina + HPA y Amino
imidazolina, a diferentes pH, 0.01M.
Inhibidor Concentración
(µL) Corriente (A) Eficiencia (%)
HCl
Amino imidazolina + HPA 10
2.09E-06 43%
Amino imidazolina 2.65E-06 27%
Amino imidazolina + HPA 20
9.57E-07 74%
Amino imidazolina 1.53E-06 58%
Amino imidazolina + HPA 25
5.23E-07 86%
Amino imidazolina 7.0E-07 81%
KOH
Amino imidazolina + HPA 10
2.32E-08 91%
Amino imidazolina 1.69E-07 36%
Amino imidazolina + HPA 20
1.91E-07 26%
Amino imidazolina 6.1E-08 76%
Amino imidazolina + HPA 25
2.27E-07 14%
Amino imidazolina 5.0E-08 81%
NaCl
Amino imidazolina + HPA 15
3.60E-08 82%
Amino imidazolina 3.08E-08 85%
Amino imidazolina + HPA 20
2.72E-08 87%
Amino imidazolina 4.36E-08 78%
Amino imidazolina + HPA 30
1.01E-07 50%
Amino imidazolina 1.04E-07 48%
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De acuerdo a la ecuación (1.11) para el cálculo de la energía libre de Gibbs y
suponiendo 2 electrones transferidos durante las reacciones de corrosión, se
realiza el cálculo para cada pH e inhibidor, en cada una de las referencias y a las
concentraciones de mayor eficiencia. Los resultados presentados en la Tabla 5,
reflejan que a medida que el valor es más negativo, la facilidad que tiene las
reacciones de oxido-reducción para llevarse a cabo es mayor, demostrando en las
referencias, ya que para los sistemas con inhibidor se obtienen valores más
positivos, indicando que existe mayor resistencia a la corrosión del material.
Los valores más positivos de energía a pH ácido y neutro, son para el inhibidor
modificado con HPA (epiclorhidrina). Por otro lado para pH alcalino el valor de
energía libre más negativo fue para el inhibidor sin modificar. De tal forma que se
confirma mejor comportamiento del inhibidor modificado.
Tabla 5 Cálculo de la energía libre de Gibbs, a pH ácido, básico y neutro, para los inhibidores en estudio.(
Concentración de
inhibidor (µL) Eficiencia (%) ΔG (J/mol)
HCl
Referencia 0 --- -120,046
Amino Imidazolina +HPA 25 86 -119,274
Amino Imidazolina 25 81 -119,853
KOH
Referencia 0 --- -137,223
Amino Imidazolina +HPA 10 91 -126,801
Amino Imidazolina 25 81 -129,310
NaCl
Referencia 0 --- -127,766
Amino Imidazolina +HPA 20 87 -122,362
Amino Imidazolina 15 85 -114,642
Por otra parte la extrapolación de las curvas de Tafel proporciona los detalles
cinéticos de las reacciones que se llevan a cabo en el proceso de corrosión [101-
103]. Al agregar inhibidor disminuye la corriente indicando que el inhibidor induce
la disminución de la velocidad de corrosión sin modificar los mecanismos del
proceso, adsorbiéndose sobre el metal bloqueando los sitios activos del acero y
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modificando la zona anódica y catódica de la curva, revelando un efecto mixto.
También el inhibidor causa algunas modificaciones en el proceso de corrosión. Sin
embargo, no altera las reacciones electroquímicas interfaciales, únicamente
protege al metal formando una película sobre la superficie [10,67,101,104], debido
a una posible reacción entre el par electrón del H+ con el nitrógeno de la molécula
del inhibidor que posteriormente se une a la superficie metálica [84].
La modificación del potencial en las lecturas en presencia de inhibidor, hacia el
lado anódico o catódico, demuestra el desplazamiento iónico involucrado. Bajo
este contexto a potenciales de corrosión mayores a 85mV el inhibidor puede
actuar en la zona catódica o anódica y si se tiene un potencial menor a 85mV con
respecto al potencial de corrosión se trata de un inhibidor mixto además los
desplazamientos en el ánodo y cátodo, respectivamente en las pendientes
corresponden a este tipo de inhibidor [86,105], de tal forma que los inhibidores
utilizados en el presente trabajo, amino imidazolina modificado y sin modificar,
corresponden a un inhibidor mixto. La cinética de cada reacción esta dada por las
expresiones que a continuación se presentan [20,25].
β! = !"!"#$!!!
β! = !"!"#$!!!
Donde βc representa la pendiente catódica y βa la pendiente anódica, ic, ia son las
densidades de corriente catódica y anódica correspondientes, E es el potencial de
corrosión. Para el presente trabajo las variaciones en parámetros tales como
corriente (I), potencial (E), y pendiente anódica y catódica (βa, βc) están mostradas
en las Figuras 13, 14 y 15 en función de la concentración del inhibidor y pH.
(3.2)
(3.3)
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0 10 20 30400.0µ
450.0µ
500.0µ
550.0µ
600.0µ
650.0µ
700.0µ
750.0µ
800.0µ
850.0µ
900.0µ
950.0µ
I/A
[C]/µL0 10 20 30
-640
-630
-620
E/m
V
[C]/µL
0 10 20 30
50
60
70
β a/mVd
ec-1
[C]/µL0 10 20 30
50
60
70
80!A#I!A#I!+!HPA
!A#I!A#I!+!HPA
!A#I!A#I!+!HPA
!A#I!A#I!+!HPA
β c/mVd
ec-1
[C]/µL
"
Figura 13 Perfil de los parámetros cinéticos, Potencial (mV), Corriente (A), las pendientes anódica y catódica (mVdec-1), contra concentración (µL) del inhibidor Amino – Imidazolina (A-I) y Amino- imidazolina + HPA (A-I+HPA) en HCl 0.01 M.
0 10 20 3020.0µ
25.0µ
30.0µ
35.0µ
40.0µ
45.0µ
I/A
[C]/µL
0 10 20 30-720
-710
-700
-690
-680
-670
-660
-650
E/m
V
[C]/µL0 10 20 30
60
70
80
β a/mVd
ec-1
[C]/µL0 10 20 30
60
70
A-I A-I+HPA
A-I A-I+HPA
A-I A-I+HPA
A-I A-I+HPA
β c/mVd
ec-1
[C]/µL"
Figura 14 Perfil de los parámetros cinéticos, Potencial (mV), Corriente (A), las pendientes anódica y catódica (mVdec-1), contra concentración (µL) del inhibidor
Amino – Imidazolina (A-I) y Amino- imidazolina + HPA (A-I+HPA) en KOH 0.01 M."
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35"
0 10 20 30
20.0µ
30.0µ
40.0µ
50.0µ
60.0µ
70.0µ
80.0µ
I/A
[C]/µL0 10 20 30
-690
-660
-630
-600
E/m
V
[C]/µL0 10 20 30
60
70
80
β a/mVd
ec-1
[C]/µL0 10 20 30
50
60
70
80
A-I A-i + HPA
A-I A-i + HPA
A-I A-i + HPA
A-I A-i + HPA
β c/mVd
ec-1
[C]/µL
"
Figura 15 Perfil de los parámetros cinéticos, Potencial (mV), Corriente (A), las pendientes anódica y catódica (mVdec-1), contra concentración (µL) del inhibidor
Amino – Imidazolina (A-I) y Amino- imidazolina + HPA (A-I+HPA) en NaCl 0.01 M.
De acuerdo a los perfiles de corriente contra concentración a potencial de
corrosión de -0.5V, Figuras 13 (a), 14 (a) y 15 (a); es posible comparar el
comportamiento de ambos inhibidores, para los medios ácido, básico y neutro. La
corriente disminuye a medida que aumenta la concentración del inhibidor
confirmando mayor interacción en la interfaz metal-electrolito y menor flujo de
electrones. Para el inhibidor modificado con epiclorhidrina la corriente es menor,
es decir, la resistencia para el inhibidor modificado es mayor, basados en la
relación I = !! . De acuerdo a esta expresión se deduce que a medida que
aumenta la resistencia en un sistema la interacción electrodo-electrolito se
modifica de tal forma que disminuya la transferencia de carga; es decir disminuye
la intensidad de corriente.
Observando la Figura 13 (a), corriente (I) versus concentración [C], se verifica que
la corriente en el sistema es menor para el inhibidor amino-imidazolina + HPA,
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considerando que a la concentración de 30µL esta condición se pierde,
atribuyendo este fenómeno a la saturación del compuesto con epiclorhidrina. En la
Figura 14 (a), (medio alcalino) se muestra el comportamiento similar entre
inhibidores, notando que la corriente para el inhibidor modificado es ligeramente
mayor que la de su contraparte, hasta que se alcanza un valor óptimo. Sin
embrago, ésta corriente es menor para el inhibidor con HPA. El comportamiento
de la concentración de los inhibidores para el electrolito alcalino (Figura 15 (a)), es
similar al medio ácido, ya que los valores más altos de corriente son para el
inhibidor modificado. Debe notarse que para el inhibidor sin modificar la corriente
aumenta a 20µL sin que la corriente sea mayor a la del inhibidor libre de
epiclorhidrina. Los diferentes perfiles de corriente encontrados están íntimamente
ligados a procesos interfaciales que tienen lugar en función del pH.
Por otro lado, los perfiles de potencial y concentración muestran que al agregar el
inhibidor, se tienen desplazamientos positivos y negativos, los primeros indican
comportamiento catódico, los últimos anódico. En la Figura 13 (b), se observa que
el cambio de potencial en las diferentes concentraciones es ligero para el inhibidor
modificado, atribuyendo ésta característica a la formación de una película con
“mejores” características protectoras, sobre la superficie del material. Para el
medio alcalino, Figura 14 (b), las diferencias de potencial entre inhibidores es
ligera con tendencia similar. Por otra parte, para el electrólito básico (Figura 15
(b)), se observa un comportamiento semejante al electrolito ácido, con la
diferencia de que el potencial es más negativo para el inhibidor con epiclorhidrina.
Cada perfil tiene comportamiento diferente debido a que los procesos interfaciales
varían en función del pH.
Para los perfiles que muestran las pendientes de Tafel contra la concentración 13
(c-d), 14 (c-d) y 15 (c-d) se observa que a medida que aumenta la concentración
de inhibidor las pendientes disminuyen, este comportamiento indica que la
velocidad del proceso de corrosión es inversamente proporcional a la
concentración. Las curvas generadas por el sistema no dependen únicamente del
inhibidor también dependen de la naturaleza de la solución. Por ejemplo, para
soluciones basadas en cloro se promueve una mayor adsorción de iones hierro
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en la superficie del metal, de forma que a mayor concentración de la solución
mayor adsorción de hierro. Estos iones hierro pueden cubrir las zonas que el
inhibidor no alcanza a cubrir totalmente [91,105-107].
Es importante hacer notar que las tendencias mostradas en las Figuras (13-15)
indican, dentro del error experimental, que los procesos redox interfaciales-
corrosivos están íntimamente ligados al pH del medio. Además, éstos perfiles se
ven claramente modificados en presencia de HPA. En general, estos cambios se
deben al bloqueo de la interfaz metálica por el inhibidor en turno, aunque otros
procesos lejos de la interfaz pueden esta ocurriendo. Este último puede adherirse
en dicha interfaz a través de ramificaciones intrínsecas de la molécula ( enlaces R-
NH2) externa (el inhibidor) y por lo tanto, impedir la interacción del metal con el
electrolito, evitando la corrosión. A manera de verificar estas suposiciones, la
Figura 16, muestra los espectros de impedancia (Zimg versus Zreal) en un intervalo
de frecuencias comprendido entre 0.1- 100000Hz para el inhibidor basado en HPA
a diferentes concentraciones y en medio ácido (HCl 0.01M). Estos espectros
indican que la resistencia a la transferencia de carga aumenta considerablemente
en presencia de mayor concentración del inhibidor de acuerdo con los resultados
discutidos en estados estacionario (ver por ejemplo Figura 15 (a)).
100 150 200 250 300 350 4000
50
100
150
200
250
300
350
400
Referencia 10µL 20µL
Zimag
inaria
/Ohms
Z real/Ohms
"
Figura 16 Diagrama de Nyquist, para el inhibidor amino-imidazolina + HPA, en HCl.
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CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos demuestran que los inhibidores amino-imidazolina son
de tipo mixto, ya que proporcionan desplazamiento en las zonas anódica y
catódica de las curvas de polarización. Ambos inhibidores son eficientes en su
aplicación para disminuir la velocidad de corrosión del acero comercial API-X52.
Sin embargo, para el inhibidor modificado con epiclorhidrina estas eficiencias son
mas elevadas, sumado a las menores cantidades de inhibidor utilizadas. Estas
propiedades se deben a que los componentes moleculares proporcionan mejores
cualidades de adsorción sobre la superficie del metal. Esta ultima suposición fue
confirmada durante la variación de frecuencia a un potencial de polarización
cercano a circuito abierto, donde la reacción electroquímica de oxidación es
espontánea.
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PERSPECTIVAS
A través de la presente investigación se confirmo que los inhibidores amino-
imidazolina son compuestos capaces de disminuir la velocidad de corrosión,
siendo estos compuestos amigables con el ambiente, y de bajo costo. Sin
embargo, el compuesto amino-imidazolina + epiclorhidrina resulto más eficiente
para disminuir la velocidad de corrosión. Por lo que se recomienda que en futuras
investigaciones se trabaje en mejorar los inhibidores orgánicos amino-imidazolina
modificados con HPA. Por otra parte deberá considerarse que los inhibidores sean
más estables aun a altas concentraciones. Bajo este contexto, síntesis de nuevos
inhibidores por diferentes rutas, esta contemplada.
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