15. Trabalho Experimental - Proteção Catódica 15.1 - Introdução A proteção catódica é um método de controle de corrosão que consiste em transformar a estrutura à proteger no cátodo de um célula eletroquímica ou eletrolítica. O emprego de proteção catódica em estruturas de concreto enterradas ou submersas é ainda pouco freqüente, devido a dificuldades, tais como necessidade de se interligar toda a armadura do concreto, de modo a funcionar como um negativo único e a possibilidade de fraturas no concreto devido aos esforços gerados pela pressão parcial do hidrogênio liberado no cátodo, quando submetido a potenciais muito negativos. Não pode ser usado em estruturas aéreas em face da necessidade de um eletrólito contínuo, o que não se consegue na atmosfera. 15.2 - Proteção catódica galvânica O sistema de proteção catódica galvânica ou por ânodo de sacrifício é aquele que utiliza uma força eletromotriz de natureza galvânica para imprimir a corrente necessária à proteção da estrutura considerada. Esta força eletromotriz resulta da diferença entre o potencial natural do ânodo e o potencial da estrutura que se deseja proteger. É uma grandeza que depende das características do ânodo, do material que compõe a estrutura que se deseja proteger e, de cera forma, do próprio eletrólito. Como a diferença de potencial conseguido nesse sistema é relativamente pequena ele é aplicado somente a meios de resistividade elétrica da ordem de no máximo, 6000ohm.cm. É usual o emprego deste sistema em instalações marítimas, já que a baixa resistividade da água do mar possibilita uma baixa resistência no circuito de proteção catódica, permitindo a injeção, no sistema, de uma corrente de maior intensidade. Os materiais tradicionalmente utilizados como ânodos galvânicos são: Ligas de magnésio; Ligas de alumínio;
Ligas de zinco. Outros materiais podem eventualmente ser utilizados como ânodos galvânicos, em sistemas particulares. Como exemplo, cita-se o uso de chapas de aço carbono para proteção de peças de bronze, latão ou cobre, em serviço na água do mar. Ao fazer a ligação do ânodo com a estrutura, estando ambos em contato simultâneo com o eletrólito, forma-se uma pilha na qual a corrente que circula resulta da dissolução eletroquímica do ânodo. À luz deste fenômeno, é fácil concluir-se que, em última análise, o ânodo galvânico representa uma certa quantidade de energia acumulada, a qual será liberada paulatinamente, proporcionando uma corrente elétrica que exercerá uma ação protetora sobre a superfície da estrutura (cátodo). A circulação desta corrente no sistema dá origem a um processo de polarização, fazendo com que os potenciais de ambos os componentes, ânodo e cátodo, se desloquem em sentidos convergentes. Assim, o ânodo sofrerá uma polarização anódica, a qual, por princípio, deve ser muito pequena, e a estrutura (cátodo) sofrerá uma acentuada polarização catódica, de modo a atingir o potencial de imunidade, ou de estabilidade termodinâmica do metal, ou liga no meio considerado. 15.3 - Proteção catódica por corrente impressa O sistema de proteção catódica por corrente impressa é aquele que utiliza uma força eletromotriz, proveniente de uma fonte de corrente contínua, para imprimir a corrente necessária à proteção da estrutura considerada. Esta força eletromotriz pode provir de baterias convencionais, baterias solares, termogeradores, conjuntos motor-gerador ou retificadores de corrente. Os retificadores constituem a fonte mais freqüentemente utilizada, e através deles retifica-se uma corrente alternada, obtendo-se uma corrente contínua que é injetada no circuito de proteção. Como a diferença de potência de saída da fonte pode ser estipulada em valores baixos ou elevados, a proteção catódica por corrente impressa aplica-se a estruturas situadas em eletrólitos de baixa, média e alta
resistividade. Também ela é aplicada onde se exige maiores correntes, portanto, em estruturas de média para grande porte o que não impede o seu uso em estruturas pequenas, quando houver conveniência. Os equipamentos e materiais comumente empregados nos sistemas por corrente impressa são: Os retificadores, que podem ser de silício ou selênio, refrigeradores a ar ou a óleo, com alimentação monofásica ou trifásica; Como alternativas aos retificadores, podem ser usadas baterias solares, termogeradores, baterias convencionais, empregada onde não haja energia elétrica em corrente alternada. Esses geradores, em geral, são de baixa potência, sendo portanto restritos a locais de pouca exigência de corrente. Os ânodos mais empregados são os de grafite, ferro-silício, ferrosilício-cromo, chumbo-antimônio-prata, titânio platinizado, nióbio platinizado e magnetita. Os ânodos de grafite, ferro-silício e magnetita são geralmente usados em solos e os demais usados em água do mar. Os cabos para interligação dos ânodos e ligação na estrutura devem ser cabos de cobre com capacidade de condução adequada ao sistema e com isolamento de boa qualidade, em geral de polietileno de alta densidade e alto peso molecular.
15.4 - Aplicações práticas de proteção catódica Os permutadores de calor usados em navios condensadores e resfriadores geralmente são construídos em aço carbono, tendo tubos de cobre ou de suas ligas. É comum ver-se carretéis, tampos e espelhos em aço carbono e tubos em latão de alumínio. Estes materiais, juntos, e contato com a água do mar, formam um par galvânico e dão origem a um processo de corrosão galvânica em que o aço é atacado. Assim é indispensável o emprego de proteção catódica para eliminar esta ação corrosiva. Para isto, tanto se pode usar ânodos de liga de zinco como ânodos de liga de alumínio. Os cabos de transmissão de energia e cabos de telecomunicações enterrados estão sujeitos a problemas de corrosão no revestimento metálico de chumbo, embora muitas vezes esta chapa de chumbo seja protegida por um revestimento adicional de PVC ou de polietileno. 15.5 - Parte Experimental...à luz deste fenômeno, é fácil concluir-se que, em última análise, o ânodo galvânico representa uma certa quantidade de energia acumulada, a qual será liberada paulatinamente, proporcionando uma corrente elétrica que exercerá uma ação protetora sobre a superfície da estrutura. (Proteção Catódica Aldo Cordeiro Dutra & Laerte de Paula Nunes)
Materiais Béquers de 100mL e de 400mL Pregos e/ou placas de ferro limpos Placas de cobre Placas de zinco ou aço galvanizado Fitas de magnésio Eletrodos de grafite Fios de cobre Fonte de corrente contínua Reagentes Solução de cloreto de sódio Solução alcoólica de fenolftaleína Solução de ferricianeto de potássio 1ª EXPERIÊNCIA: proteção catódica galvânica (ânodos de sacrifício) a) Em seis beques: (A, B, C, D, E e F) de 100mL adicionar 80ml de solução de NaCl. b) Acrescentar aos beques: A- um prego de ferro B- um prego de ferro ligado a uma placa de cobre C- um prego de ferro ligado a uma placa de zinco D- um prego de ferro envolvido com uma fita de magnésio E- um prego de ferro ligado a placas de cobre e zinco F- um prego de ferro envolvido com uma fita de magnésio e ligado a uma placa de cobre c) Após uma semana preencha a tabela 1 com suas observações.
d) Anote o(s) béquer(s) onde o ferro foi protegido catodicamente. 2ª EXPERIÊNCIA: Proteção catódica por corrente impressa a) Em um béquer de 250mL adicione 150mL de solução aquosa de NaCl, 10 gotas de solução alcoólica de fenolftaleína e 20 gotas de ferricianeto de potássio. b) Imergir dois eletrodos, um de ferro e outro de grafite, ligando-os respectivamente aos pólos negativo e positivo de uma fonte de corrente contínua. c) Observe o ocorrido e preencha a tabela 2.
3ª EXPERIÊNCIA: a) Em um béquer de 250ml adicione 150ml de solução aquosa de NaCl, 10 gotas de solução alcoólica de fenolftaleína e 20 gotas de ferricianeto de potássio. b) Imerge dois eletrodos, um de ferro e outro de cobre, ligados por um fio de cobre, imobilizando-os dentro da solução. c) Imerge após algum tempo um eletrodo de grafite e ligue-o ao pólo positivo da mesma fonte de corrente contínua, ligando o ferro e o cobre ao pólo negativo da mesma fonte. OBS.: Se a solução já estiver muito turva é conveniente, para melhor observação, substituí-la por outra Eletrodos Pólos Reações químicas Ferro e cobre Cores formados Grafite
Questionário: 1) Indique em qual béquer o prego sofreu maior corrosão, explicando. 2) Dê as equações químicas das reações ocorridas nos béqueres. 3) Informe os tipos principais de corrosão que ocorrem em cada béquer. 4) Faça um desenho ilustrativo do processo ocorrido. 5) Explique como o ferro pode ser protegido catodicamente. 6) Explique a função do grafite nas montagens.