Formación y caracterización electroquímica de incrustaciones de carbonato de calcio, sobre acero al carbono en sistemas de enfriamiento - Marín Cruz, Jesús (Universidad Autónoma Metropolitana, 2001)
In this work, the formation and characterization of calcium carbonate scales on carbon steel surfaces in solutions that mimic the Mexico cooling waters systems had been electrochemically studied. Carbon steel/cooling water interface was characterizated. It was determinated that steel dissolution and oxygen reduction reactions ocurrs spontaneously in corrosion process. In addition, the voltammetric response shows a high resistive behavior at the interface Because the cooling systems complexity, the influence of temperature, pH and ionic concentration effects were considered. In this way, it was established that 40"C, pH 7.8 and 900 ppm of calcium as calcium carbonate are the experimental conditions that mimic a drastic operation in cooling towers in Mexico refineries. Take in account that the real condition of carbon steel surfaces in the industrial plant are not clean, a methodology to induce a reproducible damages on carbon steel surface, principally calcium carbonate scale, was proposed. This methodology is not classical as pulse or sweep polarization potential, generally fixed cathodic potential is imposed to generate hydroxile ions to increase pH at the electrode surface and then to force calcium carbonate to precipitate. Using this methodology, it was posible to obtain three kinds of damage by calcium carbonate scales on carbon steel: aragonite, calcite and a mixture. The morfology identification was carried out by Scan Electron Microscopy. On the other hand, it was proposed a novel electrochemical methodology to identify the scale allotropic form on carbon steel and for extent coverage evaluation. Carbon steel/Cooling water system was also characterizated using Electrochemical Impedance Spectroscopy. Using Nyquist and Bode diagrams obtained by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), fast and economical identification of different calcium carbonate scales (aragonite, calcite and a mixture of both), previously induced onto carbon steel surfaces, was achieved from cooling system waters. In addition, it was established that on the surfaces previously scaled with calcite, crystals initially formed in the damage process act as growth sites causing the continuation of scale at the expense of ionic concentration of a new solution; moreover, due to such growth and hydrodynamic conditions of the experiment, it was possible to identify a phenomenon of the scale removal. Also, it was observed that different scale types have different influences on the steel dissolution Frocess, being the scale formed by calcite-aragonite mixture the one that diminishes this process significantly.; En el presente trabajo, se estudió electroquímicamente la formación y caracterización de incrustaciones de carbonato de calcio, sobre superficies de acero al carbono, en medios de aguas de sistemas de enfriamiento, utilizando para ello soluciones que simulan un promedio en composición, de las diferentes concentraciones de sales contenidas en aguas de enfriamiento que se utilizan en las refinerías de México. Inicialmente se caracterizó el sistema acero al carbono/agua deenfriamiento, determinándose que las reacciones que normalmente se llevan a cabo, de manera espontánea, son la disolución del acero y la reacción de reducción del oxígeno disuelto. Adicionalmente, la respuesta voltamperométrica mostró un comportamiento de la interfase altamente resistivo. Debido a la complejidad de los medios de sistemas de enfriamiento, se estudió el efecto de la temperatura, el pH y la concentración iónica de las especies, que en forma general ocasionan problemas en la operación de este tipo de sistemas. De esta manera se estableció que las condiciones de experimentación que reproducen de mejor manera la operación drástica, en cuanto a corrosión e incrustación en estos sistemas son: Temperatura 40°C, pH 7.8 y una solución con una concentración de 900 ppm de carbonato de calcio. Considerando que en los procesos industriales las superficies metálicas no se encuentran limpias, se planteó la implementación de metodologías que permitieran dañar las superficies de acero al carbono, principalmente con incrustaciones de carbonato de calcio de una manera reproducible y controlada, por medio de tratamientos electroquímicos. Este daño se realizó favoreciendo las reacciones de reducción del oxígeno disuelto, así como la de las moléculas de agua, utilizando ciclos de barridos de potencial y por medio de pulsos directos de potencial, ambos en la zona catódica. Empleando esta metodología, fue posible obtener de manera selectiva tres diferentes tipos de daño por incrustaciones de carbonato de calcio sobre las superficies de acero alcarbono: Calcita, aragonita y una mezcla de ellas. La identificación de las diferentes morfologías se llevó a cabo por medio de la Microscopía Electrónica de Barrido. Por otro lado, se propuso una metodología electroquímica para la identificación de la forma alotrópica de la incrustación presente sobre superficies de acero al carbono, así como para la evaluación del grado de recubrimiento generado por la misma incrustación. Además, se caracterizó por medio de Espectroscopía de Impedancia Electroquímica el sistema acero al carbono/agua de enfriamiento y se encontró que, en superficies limpias, durante el tiempo de inmersión se forma una película de productos de corrosión, la cual disminuye el área disponible para que la transferencia de carga se lleve a cabo. Por otra parte se mostró que, en superficies previamente incrustadas con cada uno de los tres tipos de incrustación, la transferencia de carga se ve impedida por el tipo y cantidad de la incrustación, por lo que el proceso de corrosión del acero al carbono, se ve influenciado por la misma. Adicionalmente se mostró que utilizando esta técnica, se puede identificar más fácilmente la morfología de la incrustación.