Visión general de la resistencia de polarización
La resistencia de polarización lineal (LPR) es una técnica de ensayo rápida y no destructiva que se utiliza habitualmente en los estudios de corrosión de materiales para obtener datos sobre la velocidad de corrosión. Para este método el material es polarizado, típicamente en el orden de ±10mV, relativo a su potencial de Circuito Abierto (OC) – el potencial medido cuando no fluye corriente [neta]. A medida que se modifica el potencial del material (electrodo de trabajo), se induce una corriente que fluye entre los electrodos de trabajo y el contraelectrodo, y la resistencia del material a la polarización puede determinarse tomando la pendiente de la curva de potencial frente a corriente. Esta resistencia puede utilizarse para determinar la velocidad de corrosión del material mediante la ecuación de Stern-Geary. Una buena introducción a la teoría detrás de este método se puede encontrar aquí.
NOTA: Esta guía comienza después de la configuración inicial del potenciostato y la instalación del software. Esto supone que el firmware del instrumento está actualizado y que el instrumento está calibrado.
Configuración de electrodos y celdas
La resistencia de polarización se utiliza normalmente en el modo de 3 electrodos. En esta configuración hay un electrodo de trabajo (su muestra de material), CE (comúnmente se utilizan grafito y platino) y un electrodo de referencia independiente: los electrodos de calomelano saturado (SCE) y cloruro de plata/plata (Ag/AgCl) son los más comunes. Puedes encontrar más configuraciones de electrodos aquí.
Para este tutorial se utilizará un bloque de hierro de 2 “x2” como electrodo de trabajo, un bloque de grafito de 3 “x3” como contraelectrodo y un SCE de Gamry como referencia. Los electrodos se pueden ver en la figura 1.
Figura 1: Materiales utilizados para un experimento de LPR con 3 electrodos. La muestra de hierro se ha enmascarado para reducir la superficie. El enmascaramiento es un paso opcional
Ahora se pueden montar los electrodos en la célula. Para este tutorial se ha elegido una Gamry Paracell debido a las geometrías de los electrodos. Dependiendo del volumen de la solución y de las geometrías de los electrodos, también se puede utilizar una Gamry PTC1 Paint Cell o una Eurocell. El electrodo de trabajo se monta en la Paracell en el lado con los postes verde y azul, y el CE se monta en el lado con los postes naranja y rojo. El RE se coloca cerca del electrodo de trabajo. Se utiliza un tubo puente para acercar el punto de medición de referencia a la superficie del electrodo de trabajo. La célula con los electrodos montados puede verse en la figura 2.
Figura 2: (Izquierda) Hierro montado en el lado del electrodo de trabajo de la Paracell (Derecha) Grafito montado en el lado del contraelectrodo de la célula
Una vez montados los electrodos, se puede llenar la célula con la solución electrolítica. Para esta demostración se utilizará ácido sulfúrico diluido (H2SO4). La célula puede llenarse a través de uno de los orificios de las placas de los extremos.
NOTA: PARA TODOS LOS EXPERIMENTOS ELECTROQUÍMICOS, TODOS LOS ELECTRODOS DEBEN ESTAR EXPUESTOS AL ELECTROLITO.
Para los experimentos LPR se utilizarán siempre 4 de los cables del potenciostato, y opcionalmente se puede utilizar un quinto. El cable de trabajo (verde, conductor de corriente), el sensor de trabajo (azul, detector de tensión), el de referencia (blanco, detector de tensión) y el contador (rojo, conductor de corriente) estarán siempre conectados. Si se utiliza una jaula de Faraday, como VistaShield™, para minimizar el ruido, el cable de tierra flotante (negro) se conectará a la jaula. El Counter Sense (naranja, sensor de voltaje) está apagado durante este experimento. Puede dejarse desconectado o conectado a la célula sin problemas. En la figura 3 se muestra la disposición de los cables.
Figura 3: Para los experimentos LPR siempre se utilizarán los cables de Contador, Referencia, Trabajo y Sentido de Trabajo.
Conecte los electrodos a los cables del potenciostato. Los cables de Trabajo y Sentido de Trabajo se conectarán a la WE, en este caso hierro, la Referencia al RE, y el cable del Contador al contraelectrodo, que es el grafito. En la figura 4 se puede ver una célula con estas conexiones.
Figura 4: Paracell con los electrodos correctamente montados y con los cables del potenciostato conectados. Esta célula está lista para la experimentación.
La célula ya está totalmente conectada y lista para la experimentación. Enciende el potenciostato y asegúrate de que está conectado al ordenador.
Ejecución del experimento
Para iniciar el experimento abra Framework. Vaya a la pestaña “Experimento” > Corrosión CC > Resistencia de polarización. Se abrirá una nueva ventana, vista en la figura 5.
Figura 5: Pantalla de entrada de los parámetros experimentales utilizados durante el experimento LPR
Los parámetros que utilizará dependen en gran medida de la configuración experimental y están influidos por factores como el tipo de material, el tipo de electrolito y la concentración de electrolito. Una breve explicación de estos parámetros:
Initial E: El parámetro Initial E define el punto inicial para el barrido de potencial durante la adquisición de datos. El rango permitido es de ± 10 V con una resolución de 1/8 de mV. Su precisión depende del ajuste. Para LPR suele ser inferior a 20 mV negativos ‘vs Eoc’ lo que significa referenciado contra la Tensión de Circuito Abierto del material.
E final: El parámetro E final define el punto final del barrido de potencial durante la adquisición de datos. El rango permitido es de ± 10 V con una resolución de 1/8 de mV. El rango de barrido, definido como el valor absoluto de E final menos E inicial, debe ser inferior a 8 V. De forma similar a E inicial, suele ser inferior a 20 mV positivos ‘vs Eoc’.
Velocidad de barrido: El parámetro Scan Rate define la velocidad del barrido de potencial durante la adquisición de datos. La Tasa de Barrido se introduce en unidades de mV/s. Las velocidades de barrido típicas son 0,1666 mV/s y 1 mV/s, tal y como se especifica en algunas normas ASTM. Un límite superior práctico de la velocidad de exploración es de 100 mV/s. Las velocidades de barrido superiores pueden funcionar, pero producirán datos poco fiables porque el filtrado del potenciostato está ajustado para constantes de tiempo largas. El límite inferior de la velocidad de exploración viene dado por el tamaño de paso mínimo dividido por el periodo de muestreo más largo. Para barridos inferiores a 2 voltios, la velocidad de barrido más lenta es de 52,1 nV/s o 0,1875 mV/hora. Multiplique estos límites por cuatro para exploraciones superiores a 2 V.
Periodo de muestreo: El parámetro Período de Muestra determina el espaciado entre los puntos de datos. También ayuda a determinar el Tamaño de Paso de la rampa en escalera y el Número de Puntos en la curva de datos. Las unidades utilizadas para el Periodo de Muestreo son segundos (s). El Periodo de Muestra más corto que recomendamos es de 0.2 s para experimentos de corrosión DC. El Periodo de Muestra más largo permitido es de 600 s.
Beta Anódica/Beta Catódica: Son las constantes de Tafel y dependen de numerosos factores como el material del electrodo, la composición de la solución y la concentración de la solución. Valores entre 0,1 V/década y 0,12 V/década deberían ser aceptables para la mayoría de los experimentos. Los valores exactos de estas constantes en un sistema pueden determinarse mediante la técnica DC105 conocida como “Tafel” o de forma no destructiva utilizando la modulación electroquímica de frecuencia (EFM).
Para esta guía utilizaremos los parámetros por defecto que se ven en la figura 5. Pulse ‘OK’ en el cuadro de configuración para comenzar el experimento. Primero medirá el potencial de circuito abierto y luego comenzará un barrido lineal de voltaje que se puede ver en la figura 6. La corriente medida se ve en el eje x y el potencial aplicado se ve en el eje y. La corriente medida se muestra en el eje x y el potencial aplicado en el eje y.
Esta velocidad de punta resulta ser un problema para casi todas las turbinas en servicio de generación de energía nuclear si tuvieran que girar a la frecuencia de línea (3000 rpm o 3600 rpm) frente a la mitad de la frecuencia de línea. En consecuencia, casi todas las máquinas en servicio nuclear están diseñadas para funcionar a la mitad de la frecuencia de línea. Para las máquinas de 50 Hz, como las de HPC, esto significa que el rotor gira a 1500 rpm, no a 3000 rpm. Para producir energía a 50 Hz, el generador debe incorporar un diseño de cuatro polos en lugar del habitual de dos, lo que le permite producir dos ciclos de electricidad por cada rotación del eje.
Figura 6: Ventana activa durante el experimento de resistencia a la polarización. El potenciostato aplica un barrido lineal de tensión al electrodo de trabajo y mide la respuesta de la corriente.
Cuando el experimento haya terminado de ejecutarse, aparecerá en la barra de estado inferior izquierda “Experimento terminado, pulse “F2-Skip” para continuar”. Pulse este botón, que puede verse en la figura 6.
Realización del análisis
Esta sección de la guía está diseñada para mostrar cómo obtener información sobre la velocidad de corrosión, la razón más común para ejecutar la resistencia de polarización. Hay una guía completa para Echem Analyst para una explicación completa de las herramientas y características disponibles.
Una vez que el experimento se haya ejecutado, vaya al menú “Análisis” de Framework y seleccione el nombre del archivo que se acaba de ejecutar. En este caso se llamará ‘polres.dta’. Al seleccionarlo se abrirá el programa Echem Analyst.
Es común ver los datos de resistencia de polarización con la densidad de corriente en el eje x. Para cambiar el eje de corriente a densidad de corriente, seleccione el menú ‘Resistencia de polarización’ en la parte superior izquierda y haga clic en ‘Opciones’. En la ventana de Opciones que aparece seleccione ‘Densidad de corriente’ en la sección ‘Unidades de corriente’.
Para obtener los datos de velocidad de corrosión siga los siguientes pasos, que corresponden a la figura 7:
1.Haga clic en la herramienta ‘Seleccionar parte de la curva con el ratón’.
2.Haga clic dos veces sobre la curva de datos para definir los puntos inicial y final de la región seleccionada. El análisis se realizará en la región seleccionada, y el valor cero de corriente debe estar aproximadamente en el centro de la región. Esto debe hacerse para poder determinar la velocidad de corrosión cuando el material no está sometido a ninguna carga externa. La teoría detrás de esto se puede encontrar aquí.
3.Seleccione la opción de menú ‘Resistencia de Polarización’, luego haga clic en ‘Resistencia de Polarización’. Aparecerá una ventana para confirmar las constantes de Tafel. Haga clic en “Calcular”.
4.La tasa de corrosión, en mils por año, se mostrará en el muelle de Vista Rápida en la parte inferior izquierda de la pantalla. Las unidades de la velocidad de corrosión pueden ajustarse en las Opciones de resistencia a la polarización descritas anteriormente.
Figura 7: Guía paso a paso para determinar el índice de corrosión de su material
Esta guía está completa, ¡y usted ha realizado y analizado su primer experimento de corrosión!