181625914003

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Revista CENIC. Ciencias Químicas
ISSN: 1015-8553
juan.araujo@cnic.edu.cu
Centro Nacional de Investigaciones Científicas
Cuba
Santos Cedeño, Katiuska; Rojas Casaña, Jorge A.; Corvo, Francisco
Efecto de campos magnéticos de baja intensidad en la acción corrosiva del agua dulce sobre el acero
al carbono detectado mediante Espectroscopia de Impedancia Electroquímica
Revista CENIC. Ciencias Químicas, vol. 35, núm. 1, enero-abril, 2004, pp. 9-12
Centro Nacional de Investigaciones Científicas
La Habana, Cuba
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Revista CENIC Ciencias Químicas, Vol. 35, No. 1, 2004.
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Recibido: 26 de febrero de 2002. Aceptado: 18 de octubre de 2002.
Palabras clave: campos magnéticos, corrosión, acero al carbono, agua dulce, Espectroscopia de Impedancia Electroquímica.
Key words: magnetic fields, corrosion, carbon steel, natural water, Spectroscopy of Electrochemical Impedance.
Efecto de campos magnéticos de baja intensidad
en la acción corrosiva del agua dulce
sobre el acero al carbono detectado mediante
Espectroscopia de Impedancia Electroquímica
Katiuska Santos Cedeño, Jorge A. Rojas Casaña* y Francisco Corvo.*
Centro Nacional de Electromagnetismo Aplicado, Santiago de Cuba. *Centro Nacional de Investigaciones Científicas, Apartado
Postal 6414, Ciudad de La Habana, Cuba.
COMUNICACION CORTA
Debido a la variada composición
de las aguas naturales, que provoca
diferencias en sus propiedades co-
rrosivas frente a los materiales me-
tálicos en contacto con ellas, se hace
imposible generalizar acerca de su
comportamiento. En la práctica es
necesario considerar las condiciones
particulares de cada sistema. Sin
embargo, existen factores cuya in-
fluencia es bien conocida. Entre ellos
se encuentran, la concentración de
oxígeno disuelto, la concentración de
iones como: Ca2+, Mg2+, HCO3
−, pH,
temperatura, factores hidrodinámi-
cos como la velocidad del fluido y el
régimen de flujo, entre otros.
La necesidad de encontrar solu-
ciones a problemas que tienen un
fuerte impacto económico como la
disminución de la efectividad del
proceso de intercambio térmico, que
tiene estrecha relación con los fac-
tores anteriormente tratados, ha con-
ducido a la búsqueda de nuevas al-
ternativas y ha encontrado en el
empleo del magnetismo, una in-
fluencia positiva. A menudo, la so-
lución de ese problema, se encuen-
tra en franca contradicción con la de
los problemas de corrosión, porque
si bien las deposiciones formadas li-
mitan el intercambio térmico, tam-
bién reducen a su vez, la velocidad
del proceso de corrosión.
Tan variada como la composición
de las aguas y las condiciones bajo
las cuales ocurre el proceso de corro-
sión en los sistemas en contacto con
ellas, han sido también las condicio-
nes para el tratamiento magnético.
Su efecto también depende de la ca-
lidad de las aguas, de las condicio-
nes hidrodinámicas, de la tempera-
tura, entre otros factores relativos a
los campos magnéticos como el tipo
y la intensidad del campo aplicado.
Esto unido, en ocasiones, a la baja
reproducibilidad de los resultados,
a la falta de un criterio unificado con
respecto al diseño de los magnetiza-
dores, hace difícil la generalización
acerca de su empleo.
La mayor atención recibida por
el efecto del campo magnético en la
industria ha sido en la reducción de
las incrustaciones. Se ha señalado su
influencia en el proceso de cristali-
zación y se han planteado mecanis-
mos para explicarlos. Entre ellos,
uno de los más aceptados es el que
plantea posibles modificaciones en
la actividad del agua, lo que causa
diferencias ocasionales en el hábito
cristalino del precipitado, dando lu-
gar a la formación de capas superfi-
ciales amorfas y por tanto, a la dis-
minución del tamaño de la capa con
mayor dureza.1,2
Otro mecanismo es el relaciona-
do con la alteración de la estructura
de las moléculas del agua y de la
interfase líquido/gas que provoca la
formación de pequeñas cantidades
de radicales libres y especies oxíge-
no e hidrógeno reactivas, tales como
el ozono, el ión superóxido, radica-
les hidroxilo, peróxido de hidrógeno
e hidrógeno atómico, las cuales son
tanto oxidantes como antioxi-
dantes.3,4 Este último ha estado
influenciado negativamente por el
hecho de que la energía que gene-
ran los campos magnéticos es des-
preciable comparada con la energía
de enlace de las moléculas y los áto-
mos y por tanto no, es posible la pro-
ducción de estas especies. Sin em-
bargo, el campo magnético es capaz
de actuar sobre el movimiento angu-
lar o de espín de los electrones y
núcleos de las moléculas y átomos
y controlar su comportamiento,
modificando su reactividad quími-
ca.5
El efecto del campo magnético
sobre la velocidad de corrosión de
materiales metálicos ha estado
influenciado también por contradic-
ciones6 en los resultados reportados
y en los casos en que su efecto ha
sido positivo, no se ha dilucidado su
mecanismo de reacción.
En este reporte, se presentan los
primeros resultados de la evaluación
a escala de laboratorio, del efecto que
produce el tratamiento magnético
del medio corrosivo, en los sistemas
donde se emplea agua dulce, sobre
el comportamiento ante la corrosión
del acero al carbono. Se proponen los
modelos que caracterizan la interfa-
se metal-agua mediante el empleo de
la técnica de Espectroscopia de Im-
pedancia Electroquímica, con y sin
aplicación del tratamiento magnéti-
co, como criterio cualitativo de la
Revista CENIC Ciencias Químicas, Vol. 35, No. 1, 2004.
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influencia de dicho tratamiento en
el sistema.
La composición química de la di-
solución sintética empleada como
medio corrosivo para este estudio
fue la reportada por Cepero7 (Tabla 1).
Estos experimentos se realizaron en
una celda electroquímica convencio-
nal de vidrio, con tres electrodos.
La celda se equipó con un electrodo
de disco rotatorio (EDR), (CONTROVIT,
Tacussel Electronique) como elec-
trodo de trabajo, con un área activa
superficial de 0,2 cm2, confecciona-
do por inserción de cilindros de ace-
ro al carbono de 5 mm de diámetro,
en piezas de teflón, exponiendo solo
la superficie circular del disco. Se
empleó en los experimentos un mag-
netizador del tipo MGV-K (Centro
Nacional de Electromagnetismo
Aplicado, Santiago de Cuba). Con un
campo magnético estático entre 0 y
95 ± 8 mT, fue calibrado en todo el
intervalo de trabajo. Durante el
tratamiento magnético, el fluido se
mantuvo en movimiento perpendi-
cular con respecto a las líneas de
fuerza del campo magnético, me-
diante el empleo de una bomba. La
intensidad de campo magnético
utilizada para todos los experimen-
tos fue de 95 mT .
La Espectroscopia de Impedan-
cia Electroquímica (EIE) puede ser
una herramienta muy útil para ayu-
dar a formular una hipótesis acerca
del proceso o mecanismo que se es-
tudia, incluso en los estados más
tempranos de una investigación.
Particularmente el ajuste de los da-
tos de EIE a circuitos equivalentes
modelos, sugerirá algún modelo quí-
mico, proceso o mecanismo que se
puede proponer y probar. Los datos
de EIE y el circuito equivalente mo-
delo proveen una herramienta útil
para ayudar a pensar sobre el pro-
blema electroquímico.
Es conveniente destacar que, se-
gún la literatura,9 la formación de
capas superficiales sobre el hierro en
contacto con medios neutros porta-
dores de especies carbónicas y cál-
cicas, es el resultadode la formación
de complejos ensamblajes entre ca-
pas de pasivación de óxidos de hie-
rro, formadas sobre la superficie
metálica en contacto con el medio y
capas de carbonatos y sulfatos de
calcio y magnesio. Estos ensambla-
jes según la literatura se efectúan
mediante los llamados �complejos
superficiales de adsorción� que sir-
ven de encaje entre la capa de óxido
y la incrustación. Este complejo pro-
ceso de formación de estructuras su-
perpuestas da lugar a la formación
de interfases activas que en muchos
casos, pueden ser detectadas por
EIE, por lo que en este trabajo, se
obtuvieron los registros a altas y ba-
jas frecuencias en el plano comple-
jo, para cada caso en estudio.
Los experimentos empleando la
técnica de Impedancia Electroquí-
mica se realizaron luego de tres ho-
ras de polarización a (-1 000 mV),
después se liberó el sistema y se mi-
dió el potencial estacionario de la
celda hasta obtener un valor de po-
tencial estable en el tiempo. Los re-
gistros de impedancia se obtuvieron
en el entorno del potencial estacio-
nario de la celda, empleando un ana-
lizador monocanal Auto AC-DSP
(ACM Instruments) y los programas
de computación correspondientes.
Para ello se aplicó al electrodo una
señal sinusoidal de 30 mV de ampli-
tud y se realizaron barridos de fre-
cuencias entre 3 · 104 y 10-3 Hz. El pro-
cesamiento de los espectros y el ajus-
te de los datos experimentales a cir-
cuitos equivalentes se llevaron a
cabo por medio del programa de
computación EQUIVCRT, versión
4.5, desarrollado por Boukamp.8
Los diagramas de impedancia
(Fig. 1) para el sistema acero al car-
bono/disolución sintética sin trata-
miento magnético muestran la pre-
sencia de dos constantes de tiempo.
La primera, en el intervalo de alta
frecuencia, tiene el aspecto de un
semicírculo con su centro en el eje
de las abscisas, al cual le correspon-
de un pequeño valor de capacidad
(10�7), más bajo que el usual de la
doble capa eléctrica (10-6). La segun-
da, en el intervalo de baja frecuen-
cia, tiene el aspecto de una impedan-
cia difusiva.
Bousselmi y col.10 plantean que
un comportamiento similar para alta
frecuencia se obtuvo previamente
para el acero al carbono o hierro en
agua en presencia de inhibidores, o
para electrodos protegidos por una
pintura. Además, señalan que de
acuerdo con las mediciones efectua-
das por la técnica de Impedancia
Electrohidrodinámica, la constante
de tiempo difusiva presente en la
región de bajas frecuencias corres-
ponde a procesos de transporte de
masa a través de la capa de difusión
convectiva y de una capa sólida po-
rosa. En estas condiciones, el circui-
to equivalente propuesto (Fig. 2) es
una modificación para un electrodo
recubierto, donde la impedancia
faradaica, se describe como una re-
sistencia de transferencia de carga,
en serie con una impedancia di-
fusiva.
El espectro de altas y bajas fre-
cuencias para el sistema tratado
magnéticamente (Fig. 3) presenta
una indefinición en la región de al-
tas frecuencias, y a intermedias y
bajas, un semicírculo y un compor-
tamiento de cuarto cuadrante, esto
es, la aparición de una inductancia.
La indefinición del espectro en la re-
gión de altas frecuencias probable-
mente se debe al efecto que ejerce
el campo magnético sobre la morfo-
logía de los compuestos que preci-
pitan, fundamentalmente carbonato
de calcio amorfo, que puede ocurrir
en el seno de la disolución y sobre la
superficie del electrodo metálico.
Por la respuesta del sistema a fre-
cuencias intermedias y bajas en los
diagramas de Nyquist (Fig. 4), la au-
sencia de la impedancia de Warburg
parece implicar cambios radicales en
el mecanismo del proceso en com-
paración con el sistema sin trata-
miento magnético, posiblemente
vinculados a la pasivación donde
controlan pasos químicos distintos
al difusivo. El origen de la constan-
te de tiempo inductiva a bajas fre-
cuencias no está muy claro. Len-
derink11 señala que en la literatura
internacional, esta constante de
tiempo se relaciona de forma cerca-
na con la existencia de una capa pa-
siva sobre el metal o como el resul-
tado de un reordenamiento de la car-
ga superficial en la interfase metal/
óxido. Sin embargo, McDonald12 y
Lenderink11 coinciden en que el
comportamiento típico de cuarto
cuadrante a las más bajas frecuen-
cias, está asociado con la interfase
película/disolución y se atribuye a
procesos que involucran adsorción
e intercambio de iones. La constan-
te de tiempo capacitiva a altas fre-
cuencias consiste de dos constantes
de tiempo que se superponen fuer-
temente y se deben probablemente
a la capa de óxido y a reacciones de
transferencia de carga en la interfase
óxido/disolución. El circuito equiva-
sotnemelE aN + aC +2 gM +2 OCH 3
− lC − OS 4
2− Hp dadivitcudnoC
(µ )mc/S
)L/gm(C 6,08 81 01 812 23 04 4,8 094
Tabla 1. Composición química de la disolución de trabajo empleada como me-
dio corrosivo.
Revista CENIC Ciencias Químicas, Vol. 35, No. 1, 2004.
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Fig. 1. Diagramas de impedancia para el acero al carbono en la disolución sintética a 160 r/min y dos tiempos de inmersión (2 y
14 h respectivamente). Ajuste de los resultados experimentales al circuito propuesto en la figura 2.
lente modelo propuesto en este caso
es el mostrado en la figura 5. La cons-
tante de tiempo inductiva a las más
bajas frecuencias se atribuye proba-
blemente a especies iónicas del oxí-
geno adsorbidas en la interfase óxi-
do/disolución.
Región de altas frecuencias
Región de altas frecuencias
Re
Rc
Rtc Zw
Cc
Cd
Fig. 2. Circuito eléctrico equivalente pro-
puesto para la interface acero/productos
de corrosión/disolución sintética. Re Re-
sistencia del electrolito. Cc Capacidad
de la capa. Rc Resistencia de los poros
de la capa. Cd Capacidad de la doble
capa eléctrica. Rtc Resistencia de trans-
ferencia de carga. Zw Impedancia
difusional.
0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0
0
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
5 0 0
6 0 0
7 0 0
 E x p e r im e n t a l
 A ju s ta d a
Z
’’
 (
 Ω
.c
m
2
)
Z ’ ( Ω .c m 2 )
0 100 200 300 400
0
25
50
75
100
125
Z
’’ 
 (
 Ω
.c
m
2 )
(Z’ ( Ω .cm 2)
0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0
0
2 0 0
4 0 0
6 0 0
8 0 0
1 0 0 0
1 2 0 0
1 4 0 0
Z
’’
 (
 Ω
.c
m
2
)
Z ’ ( Ω . c m 2 )
0 100 200 300 400 500 600
0
25
50
75
100
125
150
175
Z
’’ 
( Ω
.c
m
2 )
Z’ ( Ω .cm 2)
4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 8 0 0 0
- 2 5 0
0
2 5 0
5 0 0
7 5 0
1 0 0 0
Z
''
 (
Ω
.c
m
2
)
Z ' ( Ω . c m
2
)
Fig. 3. Diagrama de impedancia para altas y bajas frecuencias del sistema acero al
carbono/disolución sintética tratada magnéticamente, a 160 r/min .
Durante el desarrollo de este
trabajo con el empleo de técnicas
electroquímicas, se evidenció que
existe un notable efecto sobre el
comportamiento corrosivo del
agua dulce tratada con campo
Revista CENIC Ciencias Químicas, Vol. 35, No. 1, 2004.
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magnético estático, en contacto
con la superficie del acero al car-
bono en sistemas a flujo. Se pro-
de las interfases acero/agua trata-
da y no tratada magnéticamente.
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Fig. 4. Diagrama de impedancia para el sistema acero al carbono/disolución sintéti-
ca tratada magnéticamente a 0,95 mT, en régimen dinámico a 160 r/min del EDR.
Ajuste de los resultados experimentales al circuito equivalente modelo propuesto en
la figura 5.
6 0 0 0 6 5 0 0 7 0 0 0 7 5 0 0 8 0 0 0 8 5 0 0
- 2 5 0
0
2 5 0
5 0 0
7 5 0
1 0 0 0
 E x p e r i m e n t a l .
 A j u s t a d aZ
''
 (
Ω
.c
m
2
)
Z ' ( Ω . c m 2 )
Fig. 5. Circuito eléctrico equivalente propuesto para la interfase acero al carbono/
película/disolución sintética tratada magnéticamente a 0,95 mT . Re Resistencia del
electrolito. Cf Capacidad de la película. Rf Resistencia de los poros de la película.
Cd capacidad de la doble capa eléctrica en la interfase óxido/solución. Rtc Resisten-
cia de transferencia de carga en la interfase óxido/solución. R Resistencia de los
aniones oxígeno adsorbidos. L Inductancia.
Re
Cf
Rf
Cd
Rtc
LR
ponen circuitos equivalentes mo-
delos que describen el diferente
comportamiento ante la corrosión,
NUEVO METODO PARA LA DETERMINACION DE SOLIDOS TOTALES
EN AGUAS Y AGUAS RESIDUALES PARA ESTUDIOS AMBIENTALES
Dirección de Ciencias y Tecnologías Ambientales, Centro Nacional de Investigaciones Científicas.
La determinación de sólidos totales es imprescindible para caracterizar aguas y aguas residuales en estudios
de impacto ambiental y evaluaciones para el otorgamiento de licencias ambientales.
La nueva metodología está basada en el empleo de un horno de microondas doméstico con el que se
obtienen resultados analíticos de precisión similar que con los métodos convencionales que emplean baño de
María y estufa y contribuye a obtener ahorros energético y de tiempo considerables. Asimismo, mejora la
calidad de vida de los analistas al disminuir acentuadamente, los malos olores que acompañan el procesamiento
de las muestras por aquellos.
La metodología fue acreditada por la ONARC por ISO-Guía 25 (Reg. No. 058); ha sido homologada por el
Registro Cubano de Buques (Certificado CHAP 10165) y posee patente concedida por la Oficina Cubana de la
Propiedad Industrial (No. 22690). Actualmente recibe numerosas aplicaciones en el país.