Proyecto de Grado

 

INHIBICIÓN DE LA CORROSIÓ CORROSIÓN N DEL ACERO AL CARBONO CARBONO BAJO CONDICIONES DINÁMICAS DINÁMICAS EN UN RACK DE TUBERIAS EMPLEANDO EXTRACTO DE DE SÁBILA (  Alo A loe e vera)

MABEL ROCIO OLAYA PEREZ EUCLIDES ZAPATA YONOFF

UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA CARTAGENA DE INDIAS, D.T. y C. 2015

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INHIBICIÓN DE LA CORROSIÓN DEL ACERO AL CAR CARBONO BONO BAJO CONDICIONES DINÁMICAS DINÁMICAS EN UN R RACK ACK DE TUBERIAS EMPLEANDO EXTRACTO DE SÁBILA (  Alo A loe e vera)

Línea de Investigación de Corrosión Grupo de Investigación IDAB

MABEL ROCIO OLAYA PEREZ EUCLIDES ZAPATA YONOFF

Trabajo de grado para optar al título tít ulo de Ingeniero Químico

Director: PEDRO JAVIER MEZA CASTELLAR, MSc Ingeniero Químico

UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA CARTAGENA DE INDIAS, D. T. y C. 2015

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Nota de Aceptación:  _____________________  __________ ______________________ ___________________ ________  _____________________  __________ ______________________ ___________________ ________  _____________________  __________ ______________________ ___________________ ________  _____________________  __________ ______________________ ___________________ ________  _____________________  __________ ______________________ ___________________ ________  _____________________  __________ ______________________ ___________________ ________

 ______________________  ___________ _____________________ __________ Presidente del Jurado

 ______________________  ___________ _____________________ __________ Jurado 1

 ______________________  ___________ _____________________ __________ Jurado 2

Cartagena de Indias D. T. y C., 2015.

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DEDICATORIA Dedico este trabajo de grado a Dios, por permitirme culminar exitosamente mi carrera y haberme dado salud para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor. A mi familia por ser el pilar fundamental en todo lo que soy, en toda mi educación, por su incondicional apoyo mantenido a través del tiempo. Para mi madre Mabel Pérez por su apoyo, consejos, comprensión, amor y ayuda en los momentos difíciles. Por ultimo agradezco a familiares y amigos que estuvieron siempre presentes en este

camino que inici hace cinco años en la Universidad de Cartagena.

Mabel Roció Olaya Pérez

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DEDICATORIA

Este trabajo de grado va dedicado principalmente Dios y a mis padres, Doris Yonoff y Guillermo Zapata por su incondicional apoyo, por confiar en mis capacidades y estar a mi lado en todos los momentos difíciles de vida y darme el amor y el afecto necesarios  para tener fuerza fuerza y voluntad de llevar a cabo mis proy proyectos. ectos. A mi hermanita, Natalia Zapata por ser tan especial conmigo y darme ánimos cuando más lo necesite, por contagiarme de su alegría y fuerza de voluntad. A mis amigos Bernardo Arabia, Andrés Herrera, Lenin Hernández, Manuel Marrugo, Iván Mendoza, Karen Reyes y Carlos Olmos, por ser mis confidentes, y brindarme todo su apoyo a lo largo de todos estos años. A mis compañeros de clase con quienes pude compartir conocimientos he hicieron que toda mi experiencia universitaria fuera mucho más agradable. A mi novia por todo el cariño, afecto y reconfortantes r econfortantes palabras.

Euclides Zapata Yonoff 

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AGRADECIMIENTOS Agradecemoss a nuestros ffamiliares Agradecemo amiliares por todo el apoyo brindado durante la realización de este proyecto, a Dios y a nuestro tutor el Ingeniero Pedro Javier Meza Castellar quien nos dio su confianza y asesoría. A todo el cuerpo docente del programa de Ingeniería Química de la Universidad de Cartagena quienes nos formaron y compartieron sus conocimientos. Finalmente a todos nuestros amigos y colegas por su amistad y apoyo a lo largo de toda la carrera.

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CONTENIDO

LISTA DE TABLAS ..................... ........................................... ............................................ ............................................ ....................................... ................. 9  LISTA DE FIGURAS ................................................. ....................................................................... ............................................ .............................. ........ 10  LISTA DE ANEXOS ....................................... ............................................................. ............................................ ......................................... ................... 11  RESUMEN..................... ............................................ ............................................. ............................................ ............................................. .............................. ....... 12  ABSTRACT ................... .......................................... ............................................. ............................................ ............................................. .............................. ....... 13  INTRODUCCIÓN ..................... ........................................... ............................................ ............................................ ......................................... ................... 14  1  OBJETIVOS ...................... ............................................ ............................................ ............................................ ......................................... ................... 17  1.1  OBJETIVO GENERAL .................... .......................................... ............................................. ......................................... .................. 17  1.2  OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................ ........................................................................... ............... 17  2  ALCANCE Y DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ....................... ............................... ........ 18  3  MARCO TEORICO REFERENCIAL.................... .......................................... ............................................. .......................... ... 19   

 

3.13.1.1MARCO CONCEPTUAL ........................ ............................................... .............................................. ................................. ..........   CORROSIÓN...................... ............................................ ............................................. ............................................. ......................... ... 19 19  3.1.2  IMPORTANCIA DE LA CORROSIÓN ........................................ .................................................. .......... 20  3.1.3  TIPOS DE CORROSIÓN ...................................................... ......................................................................... ................... 21  3.1.4  CORROSIÓN ACELERADA POR FLUJO (FAC) .................. ................................. ............... 22  3.1.5  MONITOREO DE LA CORROSIÓN INTERNA EN TUBERIAS......... 23  3.1.6  MONITOREO A PARTIR DE LA INSTALACIÓN DE CUPONES EN UN RACK DE TUBERIA ........................... ................................................. ............................................. ..................................... .............. 24  3.1.7  CONTROL DE D E LA CORROSION ........... .................................. ............................................. ......................... ... 2266  3.1.8  INHIBICIÓN DE LA CORROSIÓN .......................................... ........................................................ .............. 26  3.1.9  INHIBIDORES A PARTIR DE EXTRACTOS DE PLANTAS .............. 27  3.1.10  SÁBILA ( Aloe  Aloe vera) ...................... ............................................ ............................................. ..................................... ..............28   3.1.11  CARACTERIZACIÓN DE EXTRACTOS MEDIANTE PRUEBAS FITOQUÍMICAS ...................... ............................................. ............................................. ............................................ ................................. ........... 28  3.1.12  ANÁLISIS DE VARIANZA .......................................... ................................................................. .......................... ... 29  3.2  ANTECEDENTES ..................... ........................................... ............................................. ............................................. ......................... ... 30  3.3  ESTADO DEL ARTE ..................................................... ............................................................................ ................................. .......... 33  4  METODOLOGÍA ..................... ............................................ ............................................. ............................................ ................................. ........... 35  4.1  TIPO DE INVESTIGACIÓN................... .......................................... .............................................. ................................. .......... 35  4.2  TECNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN ......................... 35  4.2.1  FUENTES DE INFORMACIÓN PRIMARIA ............... ...................................... .......................... ... 3355  4.2.2  FUENTES DE INFORMACIÓN SECUNDARIAS...................... ................................. ........... 3355  7

 

4.3  VARIABLES............................................. ................................................................... ............................................ ................................. ........... 36  4.4  DISEÑO EXPERIMENTAL ............. ................................... ............................................ ......................................... ................... 36  4.5  MATERIALES Y EQUIPOS ...................................... ............................................................ ..................................... ............... 37  4.6  PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ................................. ....................................................... ......................... ... 38   4.6.1  MONTAJE EXPERIMENTAL .......................................... ................................................................ ...................... 3388  OBTENCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DEL EXTRACTO DE  ALOE VERA  41  4.6.3  PRUEBA DE PÉRDIDA DE MASA ....................................................... ....................................................... 42  4.6.4  CALCULO DE LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN ............................ ............................ 43  4.6.5  CALCULO DE LA EFICIENCIA ............ ................................... ............................................. ......................... ... 44  4.6.6  ANÁLISIS DE VARIANZA .......................................... ................................................................. .......................... ... 45  5  RESULTADO RESULTADOS S Y DISCUSIÓN .................... ........................................... .............................................. ................................. .......... 46  5.1  CARACTERIZACIÓN DE EXTRACTOS ..................................................... ..................................................... 46  5.2  EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD INHIBIDORA DE LOS EXTRACTOS .......................................... ................................................................. ............................................. ............................................ ...................... 48  5.2.1  EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN...................... ............................................. .............................. ....... 49  5.2.2  EFECTO DE LA VELOCIDAD DE FLUJO ..................... ........................................... ...................... 53  5.3  ANALISIS DE VARIANZA .......................................... ................................................................. ..................................... .............. 60  6  CONCLUSIONES .................... ........................................... ............................................. ............................................ ................................. ........... 64  7  RECOMENDACIONE RECOMENDACIONES S ............................................. .................................................................... ............................................ ..................... 66  REFERENCIAS ........................................... .................................................................. ............................................. ............................................ ...................... 67  ANEXOS ................... .......................................... .............................................. ............................................. ............................................. ................................. .......... 74  4.6.2 

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Tipos de corrosión...................... ............................................ ............................................. ............................................. ......................... ... 21  Operacionalización lización de las variables ...... ............................ ............................................ ..................................... ............... 36  Tabla 2. Operaciona Tabla 3. Variables a analizar en el diseño experimental ....... ............................. ......................................... ................... 36 

Tabla 4. Experimentos realizados ............................................................ .................................................................................. ...................... 37  Tabla 5. Propiedades del agua potable ........ .............................. ............................................. ............................................. ...................... 40  Tabla 6. Condiciones de operación ..................... ........................................... ............................................. ..................................... .............. 40  Tabla 7. Métodos usados para detección de constituyentes ........................................... ........................................... 42  Tabla 8. Caracterizac Caracterización ión de los extractos de Aloe vera ................................................. ................................................. 46  Tabla 9. Velocidad de corrosión del acero al carbono en ausencia y presencia del extracto de Aloe vera, en estado dinámico a 48ºC. .......................................... ........................................................ .............. 51 

Tabla 10. Eficiencia de inhibición del extracto de Aloe vera sobre la corrosión de acero al carbono en estado dinámico. ................. ....................................... ............................................ ............................................. .......................... ... 52  Tabla 11. Velocidad de corrosión del acero al carbono en ausencia y presencia del extracto de Aloe vera, en estado estático con 5 días de inmersión. ................................ 57 

Tabla 12. Comparación de resultados obtenidos con los l os encontrados en la l a literatura lit eratura ... 59  Tabla 12. Análisis de varianza para la inhibición de corrosión del acero al carbono .... 60 

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LISTA DE FIGURAS Figura 1. Esquema de la corrosión de Fe. .... .......................... ............................................ ............................................ ...................... 19  Figura 2. Factores Influyentes en la corrosión acelerada por flujo (FAC) .................... 22  Figura 3. Fallos en tuberías por corrosión acelerada por flujo........................ flujo....................................... ............... 23  Figura 4. Cupones y Modelo de un rack con tubería PVC ........................ ........................................... ................... 25  Figura 5. Modelo de un rrack ack con tubería PVC ..................... ........................................... ......................................... ................... 38  Figura 6. Accesorios para el anclaje de los cupones ............................................ ...................................................... .......... 38  Figura 7. Montaje experimental ............... ..................................... ............................................ ............................................. .......................... ... 39  Figura 8. Obtención de extracto de Aloe vera .................... .......................................... ............................................ ...................... 41  Figura 9. Diagrama de flujo del diseño experimental realizado .............. .................................... ...................... 45  Figura 10. Pérdida de masa (mg) ( mg) del acero al carbono en ausencia y presencia del extracto de Aloe vera a 15 LPM. ...................................................... ............................................................................. .............................. ....... 49 

Figura 11. Pérdida de masa (mg) ( mg) del acero al carbono en ausencia y presencia del extracto de Aloe vera a 30 LPM. ...................................................... ............................................................................. .............................. ....... 50 

Figura 12. Pérdida de masa (mg) del acero al carbono en ausencia del extracto de Aloe vera a 0 LPM (prueba estática), 15 LPM y 30 LPM. ..................... ............................................ ................................. .......... 53 

Figura 13. Pérdida de masa (mg) del acero al carbono en presencia del extracto de Aloe vera a 5%V/V. ....................... .............................................. .............................................. ............................................. ............................................ ...................... 54 

Figura 14. Pérdida de masa (mg) del acero al carbono en presencia del extracto de Aloe vera a 10%V/V. ...................... ............................................ ............................................. ............................................. ............................................ ...................... 54 

Figura 15. Pérdida de masa (mg) de las pruebas realizadas a las distintas concentraciones concentrac iones y velocidades de flujo. ...................... ............................................ ............................................. .............................. ....... 55 

Figura 16. Fotografía de los l os cupones sometidos a los experimentos. 1) Cupón inicial, 2) Cupón sin inhibidor*, 3) Cupón 5% y 30 LPM*, 4) Cupón 10% y 30 LPM*, 5) Cupón 5% y 15 LPM*, 6) Cupón 10% y 15 LPM*.................... ......................................... ............................................ .......................... .... 58 

Figura 17. Diagrama de Pareto estandarizado. ..................... ........................................... ......................................... ................... 61  Figura 18. Gráfico de superficie de respuesta estimada. ............................................ ............................................... ... 62  Figura 19. Grafica de efectos principales para la eficiencia de inhibición. ................... 62  Figura 20. Gráfico de interacciones de los efectos. .................. ......................................... ..................................... .............. 63 

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LISTA DE ANEXOS ANEXO A. Caracterización fitoquímica fit oquímica de los extractos de Aloe vera...................... vera......................... ... 74  ANEXO B. Datos de las pruebas sin inhibidor. .......................................... ............................................................. ................... 75  ANEXO C. Datos de las pruebas con inhibidor al 5%. ........................................... .................................................. ....... 76  ANEXO D. Datos de las pruebas con inhibidor al 10%. ............................................. ................................................ ... 77 

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RESUMEN Sustancias de origen natural son cada vez más usadas como inhibidores de corrosión por sus amplias ventajas económicas y ambientales. El objetivo del presente proyecto fue evaluar la eficiencia inhibidora del extracto de sábila ( Aloe vera) bajo condiciones dinámicas como potencial inhibidor de corrosión del acero al carbono empleando como medio corrosivo agua agua potable. Así mismo se buscó identificar identificar los componentes ac activos tivos que confieren al extracto buena acción inhibidora y comprobar el efecto que posee la concentración del inhibidor y el flujo de agua sobre la eficiencia de inhibición. Para tal fin se construyó sistema de tuberías de PVC (Rack de tuberías) en el cual se instalaron cupones de acero al carbono. Seguidamente se obtuvo y caracterizó el extracto de  Aloe vera por medio de pruebas fitoquímicas. fitoquímicas. La eficiencia de inhibición del extracto de Aloe vera  fue

estudiada mediante el método de pérdida de masa en el Rack de tuberías,

variando la composición composición del inhibido inhibidorr (5%V/V y 10%V/V) y el flujo de agua agua (15 LPM y 30 LPM). Por último, mediante el uso de un software estadístico, se realizó el análisis estadístico de los resultados obtenidos. La máxima eficiencia de inhibición (82,14%) se obtuvo a una concentración de 10 %V/V de extracto y 15 LPM de flujo de agua. Los análisis fitoquímicos comprobaron la alta  presencia de taninos, fenoles y saponinas, confirmando el potencial que posee el el extracto de Aloe vera como inhibidor de corrosión producto  producto de las características características estructurales estructurales de los compuestos anteriormente mencionados. Se demostró que altos flujos de agua disminuye la eficiencia de inhibición debido a que un aumento del flujo suministra más oxígeno capaz de reaccionar con el hierro en la superficie del metal provocando el aumento de la velocidad de corrosión. Por otra parte el aumento de la concentración  beneficia la capacidad capacidad inhibidora del extracto. Los resultados de esta investigación, confirman la capacidad inhibidora del extracto de  Aloe vera

sobre la corrosión del ac acero ero al carbono, ratificando su su posible posible uso en la

industria de la prevención y control de la corrosión.

Palabras Clave: Corrosión, inhibidor, Aloe vera, acero al carbono, concentración, flujo de agua, condiciones dinámicas. 12

 

ABSTRACT  Natural substances are increasingly being used as corrosion inhibitors due to their wide economic and environmental advantages. The objective of this project was to evaluate the inhibitory efficiency of the extract  Aloe vera under dynamic conditions as potential inhibitor of corrosion of carbon steel using water as a corrosive medium, also aimed to identify the active components that give the extract a good inhibitory action and verify

the effect of the inhibitor’s concentration and the flow of water on the  inhibition efficiency. For this purpose a PVC pipe system (pipe rack) was built in which carbon steel coupons were installed. Next it was obtained and characterized the  Aloe vera extract by  phytochemicall tests. The efficiency of inhibition of the Aloe vera extract was studied by  phytochemica by the method of mass loss in the pipe rack, varying the composition of the inhibitor (5% V/V to 10% V/V) and the water flow (15 LPM and 30 LPM). Finally, by using a statistical software, statistical analysis of the results was performed.

The maximum efficiency of inhibition (82.14%) was obtained at an extract’s concentration of 10% V/V and 15 LPM water flow. Phytochemical analysis proved high  presence of tannins, phenols and saponins, confirming the  Aloe vera  extract’s the  potential as a corrosion inhibitor as a consequence consequence of the structural chara characteristics cteristics of the above mentioned compounds. It was demonstrated that high water flows decrease the

inhibition’s efficiency because an increased flow supplies more oxygen that can react with the iron in the metal’s surface causing corrosion rate to increase. On the other hand,

the increasing of the concentration benefits the extract’s inhibitory capacity.   This research’s results confirm the inhibitory capacity of the  Aloe vera  extract over the corrosion of carbon steel, confirming its potential use in the prevention industry and corrosion control.

Keywords:  Corrosion, inhibitor,  Aloe vera, carbon steel, concentration, water flow, dynamic conditions

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INTRODUCCIÓN El deterioro de un metal, es un fenómeno natural producido por la interacción del metal y su entorno. El proceso de corrosión es un proceso electroquímico el cual involucra la transferencia de electrones de la superficie del metal a los iones presentes en el medio (agua, atmósfera, aire, agua salada, sustancias acidas, entre otros), produciéndose la  pérdida de peso p eso del mismo (Martínez, 2012). La corrosión es responsable r esponsable del deterioro de la integridad de las estructuras metálicas, lo cual ha conllevado a accidentes como los ocurridos en Flixborough (Inglaterra) y B Bhopal hopal (India). La corrosión corrosión producida por las sustan sustancias cias que circulan circulan al interior de las tuberías es es un  problema importante de seguridad industrial y ambiental debido al adelgazamiento del espesor de las tuberías y accesorios. La inevitable exposición a la corrosión ha traído como consecuencia daños en sistemas hidráulicos, fugas de agua, aumentos de los costos de bombeo, deterioro de la calidad del agua y miles de millones de dólares en gastos de reparación y sustitución de tuberías corroídas (Salasi, 2007). En este tipo se sistemas la corrosión es mucho más agresiva y provoca fallas o detención en procesos debido a la degradación de tuberías produc producto to del proceso de ccorrosión orrosión acelerada por flujo (FAC) (Kanster et al., 1990). El costo anual de la corrosión en todo el mundo se estima que supera los $ 1.8 trillones, lo que se traduce en 3.4% del Producto Interno Bruto (PIB) de los países industrializados (Stewart, 2012). Debido Debido a los altos costos costos de mantenimiento y reparación de equipos equipos industriales la corrosión se ha convertido en un motivo pa para ra investigar y plantear estrategias para alargar la vida útil de los mismos y disminuir las pérdidas económicas que implican la corrosión en tuberías, torres de enfriamiento, tanques, componentes componentes metálicos de las máquinas, estructuras marítimas, entre otros (Winston, (Wi nston, 2008). El uso de inhibidores de corrosión es una técnica comúnmente utilizada para el control del deterioro de equipos y estructuras. Estas son sustancias que al ser añadidas en  pequeñas cantidades en un ambiente determinado reduce la velocidad de corrosión y la

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reacción entre el metal y el medio (Applegate, 1960). Si bien se conocen innumerables  productos químicos para su utilización utili zación como inhibidores de corrosión, la gran mayoría no cumplen con las normas o requisitos planteados, debido a que estos son altamente  peligrosos y nocivos nocivos (Ramdea, 20 2014). 14). Muchos inhibidore inhibidoress de corrosión se han uutilizado tilizado en torres de enfriamiento. Particularmente, cromatos y metales pesados debido a que  poseen buenos aantecedentes ntecedentes comerciales y su eficacia es buena buena en diferentes condiciones condiciones de proceso. No obstante, la utilización de los inhibidores sintéticos está disminuyendo, debido a la preocupación por sus efectos tóxicos sobre los cuerpos de agua (Abdel-Gaber, 2011). Actualmente se han realizado dive diversas rsas investigac investigaciones iones donde se demuestran que los extractos de las plantas como  Phyllanthus amarus (Okafor, 2008), Citrus aurantiifolia (Saratha, 2009) pueden ser utilizados como inhibidores de corrosión. De acuerdo a investigaciones realizadas se ha comprobado que el  Aloe vera  posee componentes fitoquímicos como taninos y fenoles que favorecen la inhibición de la corrosión (Poongothai, 2009). A diferencia de los inhibidores químicos, los inhibidores obtenidos de extractos naturales no son tóxicos, se obtienen mediante tecnologías limpias, su  producción requiere bajos costos y posee poseenn alta disponibilidad (Lo (Loaiza aiza y Vidales, 2013). 2013). En la actualidad, la mayoría de las investigaciones evalúan los inhibidores naturales en condiciones estáticas. En el prese presente nte proyecto se evaluó la eficiencia eficiencia de inhibición del  Aloe vera bajo condiciones dinámicas, específicamente en un Rack

de tuberías mediante

 pruebas de pérdida de peso, con el fin de conocer el comportamiento del proceso de corrosión en tuberías, identificando además la influencia de la concentración del inhibidor y el flujo sobre la velocidad de corrosión. P Por or otra parte el extracto de sábila fue sometido sometido a pruebas fitoquímicas con el fin de identificar los diferentes compuestos que confieren a la planta efectos inhibidores. El estudio se llevó a cabo en los laboratorios del campus Piedra Bolívar de la Universidad de Cartagena. Esta investigación investigación enriquece la literatura actual debido debido a que el presente trabajo genera nuevos conocimientos en el estudio de la eficiencia de los inhibidores naturales en condiciones no estáticas, así como también demue demuestra stra la relación relación y los efectos de

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variables como la velocidad de flujo y la concentración en los sistemas dinámicos  presentes en distintos procesos industriales. Lo anterior presenta beneficios desde el punto de vista económico debido a que al simular las condiciones diná dinámicas micas de los procesos se  pueden determinar las dosis necesarias de inhibidores sin necesidad de llevarlas ll evarlas a cabo en el circuito de enfriamiento de aguas de procesos. Además el hecho de utilizar inhibidores de origen natural contribuye a la disminución de los costos de operación por compras de insumos en comparación con los inhibidores comerciales. Por último, la utilización utilización del  Aloe vera  como inhibidor de corrosión es una alternativa viable con muchos muchos beneficios tanto para el desa desarrollo rrollo de la investigación científica y la agroindustria en el el departamento de Bolívar. Bolívar. Además alg algunos unos de los problemas que  produce la corrosión y los inhibidores tradicionales que fueron mencionados con anterioridad pueden ser solucionados de forma efectiva con el uso de inhibidores naturales.(Manawwer naturales.(Mana wwer , 2013).

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1  OBJETIVOS

1.1  OBJETIVO GENERAL Evaluar la eficiencia inhibidora del extracto de sábila ( Aloe vera) para el control de la corrosión del acero al carbono mediante pruebas dinámicas de pérdida p érdida de peso utilizando utili zando un Rack de tuberías.

1.2  OBJETIVOS ESPECÍFICOS   Caracterizar los extractos de sábila ( Aloe vera) mediante pruebas fitoquímicas para la



identificación de los componentes activos que puedan favorecer la inhibición de la corrosión.   Determinar el efecto de la concentración del inhibidor sobre la velocidad de corrosión



del acero al carbono mediante pruebas de pérdida de peso empleando un Rack de tuberías para el cálculo de la eficiencia de inhibición.   Estimar el efecto efecto del flujo sobre la vvelocidad elocidad de corrosión del acero al carbono carbono



mediante pruebas de pérdida de peso empleando un Rack de tuberías para el cálculo de la eficiencia de inhibición.

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2  ALCANCE Y DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN El presente proyecto se realizó en los laboratorios de Ingeniería Química del campus Piedra Bolívar de la Universidad de Cartagena, con muestras de extractos de  Aloe vera    proveniente de la región Bolívar. El tiem tiempo po ddee duración de la investigación investigación fue de 8 meses incluyendo la parte experimental y la redacción del documento final. Se estudiaron como variables experimentales experimentales el flujo y concentración del inhibidor en un sistema de bom bombas bas y tuberías para medir su efecto sobre la velocidad de corrosión, la cual se calculó a partir de pruebas de pérdida de masa. Se realizó un análisis de varianza para determinar la influencia de las variables estudiadas sobre la velocidad de corrosión. Se espera que dada la presencia de compuestos fitoquímicos en el  Aloe vera  actúen como inhibidores de corrosión bajo condiciones dinámicas. Como producto final de este proyecto el Rack de tuberías montado servirá como equipo experimental para adelantar futuras investigacioness con otras plantas de la región y así contribuir a su aprovechamiento como investigacione inhibidores de corrosión. En esta investigación no cubrirá la realización de pruebas electroquímicas para la determinación de las velocidades de corrosión, prueba de difracción de rayos X y espectroscopia Infrarroja con transformada de Fourier (FTIR)  para la caracterización caracterización de los extractos.

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3  MARCO TEORICO REFERENCIAL 3.1  MARCO CONCEPTUAL 3.1.1  CORROSIÓN El deterioro de los materiales por interacción química con su entorno (agua, atmósfera, aire, agua salada, sustancias acidas, entre otros) es llamado corrosión (Patni, 2013). La corrosión es es un fenóme fenómeno no espontán espontáneo eo descrito ccomo omo la oxidación acelerada y continua que desgasta desgasta y deteriora diferentes me metales. tales. Este fenómeno eelectroquímico lectroquímico se produce  por la existencia de un material que cede electrones, un material que acepta acept a electrones y un medio conductor de iones, llamados ánodo, cátodo y electrolitos respectivamente (Cortez, 2004). El flujo de electrones viaja de la porción del metal (ánodo) a la solución y luego se completa el ciclo cuando los electrolitos presentes en la solución transportan los electrones hacia el cátodo. Los ánodos y cátodos presentes en el fenómeno de corrosión son llamados electrodos, los cuales pueden estar conformados por dos tipos de metales o diferentes áreas de una misma superficie del metal. Zona Anódica

Fe  

H 

Fe   Fe

eee-

Zona Catódica

Cl   H 

H+ 

H  

H+ 

Cl  

H  

H+ 

Figura 1. Esquema de la corrosión de Fe. Fuente: Cortez, 2004.

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El mecanismo de corrosión puede apreciarse en un material metálico inmerso en una solución de HCl (Figura 1). L Los os átomos ddee Fe cede cedenn electrones convirtiéndose convirtiéndose en en cationes y los iones (H+) aceptan los electrones formando moléculas de hidrogeno (Cortez, 2004). A continuación se indican las dos reacciones presentes en el mecanismo:

→+  2−  ó ó  2+  2− →  ó ó 

(Ec.1) (Ec.2)

El tipo de corrosión que sufre el metal depende de la naturaleza química del entorno y de la concentración efectiva de las especies reactivas lo cual produce una alteración de las propiedades de los materiales afectados, que puede venir acompañada de una perdida de material de mismo (Gómez, 2006). La corrosión se considera un fenómeno

una tendencia a perder electrones, espontáneo, espontáne o, debido a que todos los metales presentan una regresando así́  a su estado natural (óxidos, sales, hidróxidos, minerales, entre otros) (Loaiza y Vidales, 2013).

3.1.2  IMPORTANCIA DE LA CORROSIÓN El estudio de la corrosión se ha vuelto un asunto importante debido a que afecta tres aspectos fundamentales: fundamentales: La economía, la seguridad y la conservación conservación de los materiales. La corrosión puede causar daños desastrosos para estructuras metálicas que causan consecuencias consecue ncias económicas en términos de reparación, sustitución, pérdidas de producto, seguridad y contaminación ambiental. (Patni, 2013). Se estima que los gastos producto de la corrosión representan entre el 3% al 5% del PIB de los países industrializados y que de cada 10 toneladas de acero fabricados al año se pierden dos y medio ppor or corrosión (Uhlig, 2000). En términos generales las pérdidas económicas se dividen en pérdidas directas e indirectas. Las ppérdidas érdidas directas incluyen los costos costos de la sustitución de estructuras corroídas y maquinaria o de sus componentes, incluyendo la mano de obra necesaria. Por su parte las pérdidas indirectas incluyen los costos por detener un proceso  para reparar o sustituir tuberías, equipos, entre otros, perdida de productos por el deterioro de una tubería, perdida de eficiencia, contaminación del producto y sobrediseño (Winston, 2008). 20

 

Por otra parte la corrosión puede crear ambientes inseguros produciendo catástrofes a largo plazo, colocando en peligro la seguridad e integridad de equipos como calderas, recipientes metálicos para productos químicos tóxicos, turbinas, rotores, puentes, componentess de automóviles y aviones (Winston, 2008). componente

3.1.3  TIPOS DE CORROSIÓN Los tipos de corrosión se clasifican de acu acuerdo erdo a distintos criterios: por la naturaleza de la sustancia corrosiva, el mecanismo de corrosión, la morfología del ataque (ataque uniforme, localizado, localizado, etc.),

el medio donde se produce (corrosión por ácidos,

atmosférica, por suelos, etc.), o por las condiciones físicas que la motivan (por cavilación, entre otras) (Pancorbo, 2011). En la Tabla 1, se identifican los distintos tipos de corrosión:

Tabla 1. Tipos de corrosión Por la naturaleza de la sustancia corrosiva

  Corrosión húmeda o electroquímica



  Corrosión seca



  Corrosión química



  Corrosión electroquímica



  Corrosión-erosión

Por los mecanismos de corrosión



  Corrosión Microbiológica



  FAC (Corrosión acelerada por flujo)



  Uniforme   Corrosión por picaduras o pitting





  Corrosión por fricción o fretting



  Corrosión por cavitación



Por la apariencia del metal corroído

  Corrosión intragranular



  Fragilización por Hidrogeno



  Fractura por tensión



  Galvánica



Fuente. ( Pancorbo , 2011) 21

 

3.1.4  CORROSIÓN ACELERADA POR FLUJO (FAC) El proceso proceso corrosivo mediante el cual un recubrimiento de óxido protector (acero al carbono o acero de baja aleación) se disuelve en agua en m movimiento, ovimiento, o uuna na mezcla de agua y vapor se conoce como Corrosión acelerada por flujo (FAC). El metal generalmente acero al carbono se corroe con el fin de crear el óxido protector, y por consiguiente se produce la prdida de peso en la tubería. En el caso del acero al carbono, este proceso se prod produce uce bajo parámetros ambientales muy específicos específicos como la temperatura, el pH, contenido de oxígeno, y la velocidad del agua (Port, 1998).

PROPIEDADES DEL FLUIDO.

MATERIAL. Cr, Mo, Cu.

Temperatura, pH, Oxígeno disuelto.

FAC

HIDRODINAMICA DEL FLUIDO Flujo, rugosidad y geometría de la superficie.

Figura 2. Factores Influyentes en la corrosión acelerada por flujo (FAC) Fuente: Zhao, 2011. Los daños causados causados por la corrosió corrosiónn acelerada se caracterizan ppor or la reducción general del espesor de la pared en lugar de un ataque local, tales como picaduras o grietas. Aunque se produce sobre una amplia área, se localiza también en los accesorios de tuberías como codos, debido a que en estas zonas se presenta mayor turbulencia (Dooley, 1999).

22

 

Cuando el espesor de la tubería alcanza valores inferiores al espesor crítico requerido se origina una rotura del metal, debido a que se alcanza el límite de espesor para soportar las tensiones de funcionamiento del equipo o tubería. Si no existe un monitoreo o control, la tubería afectada pueden romperse, liberando vapor a alta presión o agua. El flujo acelerado de corrosión ha producido un gran número de fallas en tuberías y equipos en todo tipo de industrias fósiles, y plantas de energía nuc nuclear lear (Muhammadu, 2013).

Figura 3. Fallos en tuberías por corrosión acelerada por flujo

.Fuente: Ahmed, 2012.

3.1.5  MONITOREO DE LA CORROSIÓN INTERNA EN TUBERIAS Los procesos de producción son continuos y el capital que está en juego es gigantesco; estas circunstancias fuerzan en ocasiones la adopción de sistema de control de la corrosión, debido debido a que las con consecuencias secuencias de un accidente o un daño en un equipo  pueden resultar desastrosas. (Fernández, (Fernández, 1989).  El objetivo del monitoreo de la corrosión es evaluar o predecir la velocidad de corrosión,  buscando obtener información de las condiciones de operacionales del equipo y relacionar estas condiciones con las variables de operación (temperatura, pH, entre otros). El monitoreo de la corrosión es una práctica estándar en las industrias de tratamiento de aguas y equipos afines.  Existen varios mtodos de monitoreo y co control ntrol que son son eficaces en la evaluación de la corrosión interna, entre esta tenemos: pruebas con cupones, pruebas de resistencia de  polarización lineal, pruebas de resistencia elctrica, pruebas analíticas, entre otras.  23

 

El mtodo de pruebas con cupones involucra la instalación y evaluación periódica de cupones de corrosión desmontables en las zonas de la tubería susceptibles a la corrosión. Este mtodo puede proporcionar datos sobre las velocidades de corrosión promedio y  permite identificar el tipo de corrosión presente en el metal (Fessler, (Fessler, 2008).  Otro mtodo de de monitoreo con consiste siste en el us usoo de sondas. Las Las sondas qque ue miden conductividad son eficaces en el control de la corrosión interna si si se coloca en el lugar adecuado; por su parte sondas de ultrasonidos instalados alrededor de la tubería se  pueden utilizar para determinar si la prdida de metal se está produciendo produciendo en la tubería. Por su parte es posible monitorear la corrosión midiendo la polarización electroquímica entre dos electrodos o midiendo la resistencia elctrica del metal corroído (Fessler, 2008). 

3.1.6  MONITOREO A PARTIR DE LA INSTALACIÓN DE CUPONES EN UN RACK DE TUBERIA El uso de cupones de corrosión, o láminas de metal, previamente pesadas; instaladas en una serie de tuberías es un mtodo común de monitoreo de la corrosión el cual permite determinar la velocidad de corrosión promedio. Normalmente, los cupones deben  permanecer varios días en el rack de tuberías tuberías expuestos a la circulación permanente del fluido, generalmente agua. Luego los cupones cupones son retirados, limpiados y pesados. A  partir del cálculo de prdida prdida de peso y las dimensiones del cupón, cupón, es po posible sible determinar la velocidad de corrosión del metal (Balseca, 2012).  Generalmente, el rack de tubería está acoplado a la tubería de retorno de las torres de enfriamiento. Por su parte la calidad del agua, el pH, la temperatura, la conductividad y los sólidos en suspensión tiene un fuerte impacto en la corrosión de los cupones. Los resultados arrojados por los cupon cupones es instalados en un Rack de tub tubería ería dependen de muchos factores. Estos factores incluyen: Tipo de industria, tiempo de exposición del cupón en el rack de tubería, ubicación del cupón en el rack de tubería, orientación del cupón, las características de flujo, temperatura del fluido, calidad del fluido, contaminantes presentes en el fluido y nivel del tratamiento del fluido f luido (Boffardi,2014). 

24

 

Figura 4. Cupones y Modelo de un rac rackk con tubería PVC  Fuente: Chem-Agua (2013). El monitoreo a partir de la instalación de cupones en un rack de tubería posee diversas ventajas, como:   Ser técnica muy simple y versátil



debido a que los cupones pueden ser

fabricados en cualquier aleación o metal comercialmente disponible (Balseca, 2012).   Es posible la utilización de diversos fluidos (gases, líquidos y fluidos con



 partículas sólidas).   Los depósitos de óxidos pueden ser observados y analizados.



  La velocidad de corrosión puede ser calculada debido a que la pérdida de peso



del metal puede ser fácilmente determinada.   La eficiencia de los inhibidores pueden ser fácilmente determinada (Balseca,



2012).   Este método permite que los cupones estén expuestos a condiciones similares a



los equipos de las industrias de tratamiento de aguas, facilitando la variación de ciertos parámetros como: temperatura, pH, concentración del inhibidor, velocidad de flujo, entre otros; con el fin de observar observar la influencia de estos sobre la velocidad de corrosión.

25

 

3.1.7  CONTROL DE LA CORROSION Con el fin de disminuir la velocidad de corrosión se implementan una serie de estrategias  para contrarrestar las pérdidas económicas provocadas por la corrosión, por esto ha nacido la necesidad de investigar nuevas estrategias y optimizar las existentes. Existen mecanismos de uso común en la industria para combatir los efectos de la corrosión, sin embargo es pertinente la utilización simultánea de dos o más procedimientos para el control de este fenómeno. Consecuentemente, los métodos de control de control de la corrosión se pueden clasificar de la siguiente manera:

•  Medidas que afectan al medio: eliminación de oxígeno disuelto en sistemas de tratamiento de aguas, eliminación de compuestos sulfurados de los combustibles, aumento de la resistencia óhmica de los suelos, entre otros.

•  Medidas que modifican la interface: protección catódica, protección anódica, inhibidores de corrosión y recubrimientos protectores (Feliu, 1991).

3.1.8  INHIBICIÓN DE LA CORROSIÓN La adición de una sustancia al medio en pequeñas concentraciones que disminuya la velocidad de corrosión es una de las posibles medidas de protección que modifican la interface entre el metal y el fluido, es decir que cualquier proceso de retardo de la velocidad de corrosión puede ser co considerado nsiderado inhibición de la corrosión (Sastri, 2011.). El transporte del inhibidor de la corrosión a la l a superficie del metal y el principio activo disponible para interactuar con el metal son dos factores fundamentales que rigen la inhibición de la corrosión. Otros factores importantes son el caudal, la temperatura, la solubilidad, la estabilidad estabilidad del inhibidor y las propiedades ddee adherencia a la supe superficie rficie del metal.

26

 

Los inhibidores de corrosión que retardan la reacción catódica se clasifican como inhibidores catódicos. Del mismo modo, los inhibidores que retardan la reacción anódica son llamados inhibidores anódicos y los inhibidores mezclados son los inhibidores que influyen tanto en la lass reacciones ca catódicas tódicas y anódicas. anódicas. Los inhibidores de corrosión también se han clasificado como inhibidores orgánicos e inorgánicos. i norgánicos. A su vez el inhibidor químico añadido al sistema puede ser en forma de líquida o gaseosa. (Sastri, 2011.). El mecanismo de funcionamiento de los inhibidores para el retardo de la cinética de la corrosión es la siguiente: 1.  Adsorción de una película película delgada del inhibidor sobre la superficie del metal. 2.  Formación de una capa pasivamente inapreciable inapreciable.. 3.  Formación de una capa de productos de corrosión apreciables a simple vista, modificando las características corrosivas del medio, o bien, desactivando el constituyente corrosivo (Gómez, 2011). En general los inhibidores de corrosión son usados principalmente en los sistemas industriales en donde interviene el agua: procesos de refrigeración, o calefacción, sistema de condensación, y en general aguas para el uso humano entre pH de 6 a 8,5. Además se usan para la protección de chillers, boilers, condensadores e intercambiadoress de calor. intercambiadore

3.1.9  INHIBIDORES A PARTIR DE EXTRACTOS DE PLANTAS Actualmente, el uso de inhibidores químicos ha disminuido debido a que su síntesis es muy costosa. Además se han considerado sustancias tóxicas y peligrosas para el ser humano y el medio ambiente (Ramde, 2014). Los extractos de plantas se han convertido en una opción viable y amigable con el medio ambiente ampliamente disponibles. Además de esto, son una fuente muy rica de compuestos químicos naturales que se pueden extraer por medio de procedimientos simples de bajo costo. (Lecante et al., 2011). 27

 

Los inhibidores de corrosión producidos a partir de eextractos xtractos de plantas son por lo general alcaloides y otras bases de nitrógeno, como los carbohidratos, las proteínas y los  productos de hidrólisis ácida. El efec efecto to inhibidor de los extrac extractos tos de plantas se atribuye a la adsorción de estas sustancias orgánicas sobre la superficie del metal, bloqueando los sitios activos o formando una capa protectora. Los datos existentes demuestran que la mayoría de inhibidores orgánicos actúan por adsorción en la interface metal / solución (Abdel-Gaber, 2006).

3.1.10  SÁBILA ( Aloe  Aloe vera) El  Aloe vera conocida dentro de la medicina herbolaria como “Sábila”, es una planta nativa de Sudáfrica y Sudamérica perteneciente a la familia Liliáceas, de la cual hay aproximadamente 360 especies (Vogler, 1999). Es una planta herbácea perenne, es de aspecto suculento, el rizoma es largo y el tallo es corto, en torno al cual se agrupa un rosetón de hojas. Su tamaño puede variar de 30 cm hasta 2 m, dependiendo de la variedad (Guerrero, 2006). Contiene 75 componentes potencialmente activos entre vitaminas, enzimas, minerales, azucares, ácidos salicílicos, saponinas y aminoácidos (Atherton, 1998). El aloe vera se compone compone de 3 regiones: la corteza exterior, el gel y el  jugo que se encuentra entre la corteza y el ggel el (Luta, 2005). Las especies de  Aloe vera han adquirido mayor importancia comercial en los últimos años debido al amplio uso que tiene en la elaboración de productos medicinales, alimenticios y cosmetológicos (Rivera, 2004).

3.1.11  CARACTERIZACIÓ CARACTERIZACIÓN N DE EXTRACTOS MEDIANTE PRUEBAS FITOQUÍMICAS Las pruebas fitoquímicas son pruebas cualitativas que causan alteraciones estructurales y que se exteriorizan en cambios de color o formaciones de precipitados y se usan para establecer la presencia de grupos funcionales (Plazas, 2012). La fitoquímica se centra en el estudio de metabolitos secundarios de origen vegetal y la metodología a seguir

28

 

depende de los objetivos de cada estudio. Las pruebas más comunes son: alcaloides, saponinas, taninos, flavonoides, aceites esenciales, esteroles y polifenoles (Marcano, 2002).

3.1.12  ANÁLISIS DE VARIANZA El análisis de varianza (ANOVA) es una poderosa herramienta estadística, de gran utilidad para el análisis de datos relacionados con la industria como el control de  procesos y el laboratorio para el control de métodos analíticos, por ejemplo: la comparación de múltiples columnas de datos y la estimación de los componentes de variación de un proceso (Bosque, 2004). Los modelos de análisis de varianza son técnicas de Análisis multivariable de dependencia, que se disponen para analizar datos procedentes de diseños con una o más dependencia, variables independientes cualitativas y una variable dependiente cuantitativa. Las variables independientes independientes se ssuelen uelen denominar factores, las variables dependientes dependientes se conoce como respuesta y los diferentes estados o valores son niveles (Ordaz, 2011).

29

 

3.2  ANTECEDENTES

Los múltiples efectos conocidos de los inhibidores de corrosión sintéticos son la motivación para el uso de extractos naturales: económicos, de fácil acceso y amigables con el medio ambiente. Desde hace varios años el uso de productos naturales se ha convertido en una fuente fuente renovable para una amplia ggama ama de inhibidores, debido debido a que son vistos como una fuente rica en compuestos químicos fácilmente extraíbles (AbdelGaber, 2005). Por esta razón varias investigaciones han reportado el uso de este tipo de extractos de plantas como inhibidores de ccorrosión orrosión de diferentes metales, metales, en medio ácido o alcalino. La mayoría de las investigaciones encontradas realizaron los estudios en estado estático; sin embargo es posible eencontrar ncontrar referencias do donde nde se comprueba comprueba el efecto efecto de la corrosión en estado dinámico por medio de diferentes técnicas y procedimientos. En la Edad Media, el uso de extractos naturales como harina, salvado, levadura, y mezclas de aceite vegetal se utilizaron para la inhibición de corrosión de elementos metálicos (Putilova, 1960; Sanyal, 1981). Por su parte la primera patente para inhibir la corrosión fue concebida concebida a Baldwin en 1895, 1895, quien investigó investigó acerca acerca del uso de la melaza y aceite vegetal, para la inhibición del acero en medio acido (Sanyal, 1981). El uso de inhibidores de la corrosión ambientalmente amigables ha sido ampliamente reportado por diversos autore autores. s. En el 2009 Sara Saratha tha and Priya concluyeron que el extracto de las hojas de Citrus aurantiifolia inhibe eficazmente la corrosión de acero dulce en HCl 1M. Los autores estudiaron los efectos de la concentración y temperatura sobre la eficiencia de inhibición; la mayor eficiencia de inhibición se reportó a 2,5 %V/V y a 343 K. Estudios de análisis de superficie, polarización y electroquímicos confirmaron los resultados anteriores. Okafor (2008) reporto reporto la acción inhibitoria de las hhojas ojas y semillas del extrac extracto to de  Phyllanthus amarus sobre la corrosión de acero suave en soluciones de HCl y H 2SO4. Los

resultados indicaron que los extractos funcionaban como un buen inhibidor en ambos medios. El estudio se basó en comparar comparar la eficiencia de inhibición de se semillas, millas, hojas y

30

 

una combinación de hojas y semillas del extracto de  Phyllanthus amarus  a través de  pruebas de pérdidas de peso. Sin embargo la compleja composición del extracto de  Phyllanthus  no

permitió identificar el efecto sobre la corrosión de acuerdo a un

constituyente particular. Los estudios sobre los l os componentes fotoquímicos mostraron que dicho extracto está compuesto por: saponinas (24,05%), taninos (17,05%), oxalatos (5,47%), alcaloides (2,56%), glucósidos cianogénicos (1,46%), hidratos de carbono (45,52%), fibra (24,50%), proteínas (6,10%) y grasas (6,03%). Abdel-Gaber (2005) informo acerca de la capacidad inhibidora de los extractos de manzanilla (Chamaemelum mixtum), Halfabar (Cymbopogon proxi-mus), comino Negro  Nigella sativa L.) y frijol ( Phaseolus  Phaseolus vulgaris L.) sobre la corrosión de acero en ácido ( Nigella

sulfúrico 1M. A partir de pruebas de pérdida de peso y técnicas técnicas de espectroscopia espectroscopia de impedancia electroquímica y técnicas de polarización potencio dinámicas. Salch (1983), estudio estudio la eficiencia de inhibición de la corrosión corrosión de los extractos acuosos acuosos de extractos de plantas de  Aloe Eru, Aloe Arborescens, Aloe Vera, Aloe Mettrimor, Aloe Grandidentata, Aloe Spinosissima y Aloe Ciliaris. 

Efectuó análisis químico por

infrarrojo, ultravioleta y comprobó para el extracto de aloe vera el efecto inhibidor en medios ácidos ácidos sob sobre re el acero. Con el fin de lograr una mejor comprensión del fenómeno corrosivo, un reto para los investigadores ha sido simular las condiciones dinámicas. Las condiciones hidrodinámicas que causan la corrosión interna de tuberías son muy difíciles de simular en un laboratorio; y para su estudio se encuentran diferentes métodos como: electrodos de rotación, circuitos de flujo, entre otros. (Schmitt, 2008). Sarmiento (2008) estudio la influencia de la velocidad de flujo y la temperatura sobre la corrosión de acero UNS G 10200 en agua salada por medio de técnicas electroquímicas. Las simulaciones hidrodinámicas se llevaron a cabo con el modelo ICE EG & G PARC Modelo 636 y para las medidas medidas electroquímicas se utilizó tres electrodos. La temp temperatura eratura se mantuvo constante durante cada prueba por medio de un dispositivo de calentamiento y se mantuvo controlada continuamente utilizando un termómetro acoplado a la célula 31

 

electroquímica. Se comprobó finalmente que el aumento de la velocidad de flujo y la temperatura mejora la cinética de la corrosión del sistema y aumenta la velocidad de corrosión.

El-Gammala (2009) (2009) realizo experimentos en un circuito de tuberías con el el fin de identificar el desgaste desgaste de las paredes debido a la corrosión (FAC); las secciones de  pruebas utilizadas poseen diferentes geometrías para su estudio. El agua se suministró desde un de depósito pósito y las velocidades de flujo se ccontrolaron ontrolaron co conn un controlador de velocidad programable. programable. Se utilizó tambié tambiénn una válvula de compuerta compuerta en la línea de derivación para regular la cantidad de agua que pasa a través de la l a sección de prueba. Los experimentos se realizaron en tuberías de un diámetro de 1 in y se mantuvo un número de Reynolds de 40.000. Luego de los experimentos de desgaste, se estudió principalmente la acción de la corrosión sobre sobre los codos del circuito; los codos se cortaron a lo largo de dell eje central y los patrones de desgaste se obtuvieron usando una técnica de exploración  por láser (digitalizador láser). Por su parte la transferencia de masa sobre toda la superficie del codo se determinó mediante la medición de la conductividad eléctrica del agua. El autor concluyo que a lo largo del codo, el desgaste máximo fue a lo largo de la región de entrada debido al aumento de los niveles de fricción. El desgaste disminuye abruptamente y alcanza un mínimo, con un aumento gradual sucesivo hasta la salida del codo debido a los niveles elevados de la turbulencia. González (2009) estudió los mecanismos de corrosión del acero al carbono AISI-1020 en un sistema multifasico, saturado con dióxido de carbono. Además evaluó el mecanismo de acción de la didecilamina como inhibidor de corrosión; el  inhibidor se agregó́ en concentraciones de 10 y 25 ppm a la solución. Las pruebas se realizaron en un circuito

simulador de flujo “Loop” el cual se diseñó́ y construyó con tubería de material  polimérico CPVC de 25,4 mm de diámetro interno y 12 m de longitud. Para conocer la velocidad de corrosión, uso la técnica de espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). El investigador investigador concluyo a partir de los datos obtenido obtenidoss que la didecilamina tiene tiene un buen comportamiento como inhibidor en una concentración de 25 ppm.

32

 

3.3  ESTADO DEL ARTE

Diversos estudios sobre la composición de los extractos de aloe vera se han realizado, obteniendo resultados que revelan la presencia de compuestos orgánicos de alto peso molecular con centros de heteroátomos en sus estructuras moleculares. Los extractos de aloe vera son una fuente rica de compuestos orgánicos de origen natural como: proteínas,

 polisacáridos policarboxílicos, ácidos, taninos, alcaloides y pigmentos, los cuales confieren al extracto propiedades propicias para la

inhibición de la

corrosión

(Kumaravelan, 2014). Mehdipour y otros (2014) evaluaron la acción inhibidora del extracto de alore vera contra la corrosión de acero inoxidable en una solución 1 M de

  mediante pruebas

electroquímicas;; Apoyaron sus resultados con la utilización de un microscopio de barrido electroquímicas electrónico. Sus resultados comprobaron que el extracto de aloe vera  podría ser clasificado como inhibidor de la corrosión de tipo mixto con acción anódica  predominante.  Nadales (2012) realizó un estudio del comportamiento de dell extracto de aloe vera con una dosificación de un 15% en un medio salino al 3.5% mediante el método de pérdida de  peso sobre acero al carbono. La velocidad de corrosión disminuyo considerablemente desde 18,0 mpy hasta 6,8 mpy lo cual se traduce en un 62,2% de eficiencia. Amalraj (2013) estudió la eficiencia de inhibición de la corrosión del extracto de  Aloe Vera  por el método de de pérdida de peso sobre el con control trol de la corrosión de agua de lluvia

sobre el acero al carbono en ausencia y presencia de Ni 2+. Los resultados del estudio de  polarización revelaron

que la

formulación

controla la

reacción catódica

 predominantemente  predominanteme nte y la pérdida de peso demostró demostró que la formulación de 5 ml de sábila y 50 ppm de Ni2+ tiene 98% de eficiencia de inhibición. Balesca (2012) diseñó un sistema de tratamiento químico para el control y monitoreo de la corrosión interna en líneas de gas. Para el control de la corrosión utilizó un inhibidor

33

 

de corrosión fílmico (Proterquim 900X). El inhibidor fue aplicado mediante atomización neumática en forma perpendicular aall fluido. Para el monitoreo dispuso de cupones cupones a lo largo de la línea de gas. El autor utilizó diferentes técnicas para evaluar la eficiencia del monitoreo de la corrosión interna en el sistema de gas, entre ellos: análisis de variables

físico-químicas y monitoreo por probetas de resistencia elctrica. A su vez calculó la velocidad de corrosión en función de las mediciones de espesores y según las mediciones  proporcionadass por probetas de resistencia eléctrica. Los resultados de la investigación  proporcionada i nvestigación demostró que la velocidad velocidad de corrosión disminuyo de 317 mpy a 64 mpy, con lo cual se obtuvo un 80% de eficiencia del tratamiento. Por su parte

Zhang y otros

(2012) diseñaron una configuración experimental

desarrollada para identificar el fenómeno corrosivo del acero al carbono por medio de mediciones electroquímicas en med medio io H2S/CO2 y en estado dinámico. La configuración experimental diseñada está compuesta por dos cilindros concéntricos, es decir, un soporte de cilíndrico de teflón exterior y un cilindro de teflón interior (rotador). Los autores realizaron pruebas electroquímicas y pruebas de pérdida de peso. De acuerdo a los resultados, los autores identificaron la existencia de una relación directamente  proporcional entre la

velocidad de flujo y

la velocidad de corrosión. Además

comprobaron que el aumento del tiempo de exposición, propicio la precipitación de cristales de sulfuro de hierro en la superficie de la muestra debido a la sobresaturación sobresaturación de sulfuro de hierro. Aperador y otros (2012) (2012) estudiaron el fenómeno fenómeno corrosivo de la aleación de Fe-Mn-Al. Emplearon un equipo tipo cilindro rotatorio que consta de un recipiente de vidrio, donde se adiciona la solución (0,5 M de NaCl, y partículas de sílice con tamaño entre 210 μm y

300 μm y proporción del 20 %wt con respecto al medio), una tapa de acrílico, donde se disponen el electrodo de referencia, el contra electrodo de platino y la muestra por analizar como electrodo de trabajo. El autor identificó la formación de los óxidos primarios de Manganeso, responsable de las pérdidas significativas de peso por corrosión-erosión de este material en medio medio salino; lo anterior debido debido a que el manganeso manganeso posee un bajo bajo coeficiente de pasivación, lo que da lugar a la formación de una película de óxido inestable. A su vez verificó la relación directamente proporcional existente entre los efectos hidrodinámicos y los efectos corrosivos. 34

 

4  METODOLOGÍA 4.1  TIPO DE INVESTIGACIÓN La presente investigación fue cuantitativa de tipo experimental. Para el desarrollo de los experimentos se tuvo en cuenta distintas concentraciones del extracto de  Aloe vera  y flujos que permitieron evaluar el potencial anticorrosivo de dicho extracto.

4.2  TECNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN 4.2.1  FUENTES DE INFORMACIÓN PRIMARIA Para el presente proyecto las fuentes de información primaria fueron los datos de velocidad de corrosión del acero al carbono, que se obtuvieron de las pruebas de pérdida de peso que se llevaron a cabo en un rack de tuberías que se construyó. El montaje está ubicado en las instalaciones de los laboratorios de Ingeniería Química de la Universidad de Cartagena. Para caracterizar los extractos de  Aloe vera  se hicieron pruebas fitoquímicas en los laboratorios de Química y farmacia de la Universidad de Cartagena, que permitieron determinar la composición de las mismas para la identificación de componentes activos.

 

4.2.2 FUENTES DE INFORMACIÓN SECUNDARIAS Las fuentes de información secundaria consistieron en artículos científicos, tesis,  patentes, y fichas técnicas técnicas industriales de las diferen diferentes tes bases de datos de la Universidad de Cartagena, Science Direct, American Chemical Society, SpringerLink y Reaxis.

35

 

4.3  VARIABLES Tabla 2. Operacionalización de las variables   TIPO DE VARIABLE VARIABLE INDEPENDIENTE

VARIABLE

DEFINICIÓN

UNIDADES

CONCENTRACIÓN DE INHIBIDOR

Volumen de inhibidor agregado al medio corrosivo.

%V/V

Litros por minuto de solución

LPM

FLUJO

VARIABLE DEPENDIENTE

VARIABLES INTERVINIENTES

VELOCIDAD DE CORROSIÓN

Pérdida de peso por unidad de tiempo que experimenta un metal o aleación al estar en contacto con un medio corrosivo.

Peso/Tiempo

TEMPERATURA

Temperatura que se fijara para las  pruebas

ºC

TIEMPO

Tiempo de duración de las pruebas

Días

4.4  DISEÑO EXPERIMENTAL Para el presente proyecto se realizó un diseño factorial de 2 2, teniendo 2 factores y 2 niveles en cada uno, como se observa en la tabla 3, para un total de 4 experimentos los cuales contaron con su respectiva r espectiva replica.

Tabla 3. Variables a analizar en el diseño experimental FACTOR A B

NOMBRE DEL FACTOR

NIVELES

SIMBOLOGÍA

Concentración de

5%

-

inhibidor

10%

+

15 LPM

-

30 LPM

+

Flujo

36

 

En la Tabla 4 se observan los experimentos que se llevaron a cabo para la prueba de  pérdida de peso del acero al carbono empleando como medio corrosivo agua potable tomada directamente del suministro local.

Tabla 4. Experimentos realizados EXPERIMENTO

FACTOR A

FACTOR B

1

-

-

2

-

+

3

+

-

4

+

+

A los anteriores anteriores experime experimentos ntos

se aña añadieron dieron 2 prue pruebas, bas, con su respetiva respetiva réplica,

denominados pruebas en blanco con los niveles asociados al factor B los cuales fueron necesarios para determinar el comportamiento del acero al carbono en ausencia de extractos de Aloe vera.

4.5  MATERIALES Y EQUIPOS Para el desarrollo del proyecto se requirió del montaje de un sistema de tuberías de PVC (Rack de tuberías) en el cual se instalaron las placas o láminas de acero al carbono (cupones) que permitieron permitieron calcular velocida velocidades des de corrosión en estado estado dinámico. Los materiales requeridos para el montaje son los siguientes:  



 



Tubería PVC 1” 

  Codo 1” 



  Bomba centrifuga ½ HP



  Rotámetro 35LPM



  Tee 1” 



Tanque de almacenamiento 20-25L

  Tapón 1” 



  Válvula globo 1”



  Placas de acero al carbono



±

  Balanza analítica ( 0.001g), Marca



  Unión universal 1” 

 Precision Instrument .



  Unión macho 1” 



37

 

Figura 5. Modelo de un rack con tubería PVC   Fuente. Chem-Agua (2013). 4.6  PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 4.6.1  MONTAJE EXPERIMENTAL Para el montaje experimental se dispuso de un sistema de tuberías (Rack de tuberías) que consta de 3 tubos horizontales conectados conectados con accesorios PVC (codos y tee). El sistema tiene además un un indicador de flujo (Rotáme (Rotámetro) tro) y un conjunto de de válvulas de globo, globo, las cuales sirven para controlar el flujo de agua. Para el anclaje de los cupones se utilizó un tapón con una probeta plástica adherida como se observa en la Figura 6.

Figura 6. Accesorios para el anclaje de los cupones Fuente. Fotografía del presente experimento 38

 

Del montaje también hacían parte dos bombas centrifugas, las cuales eran las l as encargadas de impulsar el agua a lo largo del circuito desde un tanque de almacenamiento con capacidad para 20L, la configuración de las bombas fue en paralelo, debido a que se debían alternar para evitar el recalentamiento de estas durante el experimento.

Figura 7. Montaje experimental Fuente. Creado para el presente experimento. Durante el desarrollo de los experimentos cabe destacar que la temperatura del agua del tanque en el inicio era en promedio de 30ºC y pasadas 2 horas desde el arranque la temperatura se elevaba hasta los 45ºC y 48ºC. La elevación de la temperatura se debe a la energía asociada al transporte de agua, es decir trabajo, el cual como lo indica la primera ley de la termodinámica termodinámica se transforma en energía interca intercambiada mbiada o calor. Debido al aumento de la temperatura se evaporaba un porcentaje del agua contenida, y para contrarrestar dicho fenómeno el tanque se tapaba parcialmente con plástico de tal manera que se condensara parte de los vapores y precipitaran de vuelta al tanque. Las propiedades del agua fueron tomadas con un analizador electroquímico (CONSORT C931) en el laboratorio de Ingeniería Química de la Universidad de Cartagena.

39

 

Tabla 5. Propiedades del agua potable PROPIEDADES Solidos Disueltos Totales (TDS)

139

mg/L

Salinidad

0.1

--

Conductividad eléctrica

254

/ 

 pH

6.69

--

Dadas las condiciones de operación se calculan los números de Reynolds para conocer el tipo de régimen de flujo.

 =  ∗  ∗     . .   Donde:   ==                 =        =          =       

Tabla 6. Condiciones de operación Condiciones de operación Diámetro 0.0254

m

Flujo 1

0.0005

m3/s

Flujo 2

0.00025

m3/s

Velocidad 1

0.9868

m/s

Velocidad 2

0.4934

m/s

Temperatura

48

ºC

Densidad

988

kg/m3 

Viscosidad

5.47E-04

Pa.s

40

 

4.6.2  OBTENCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DEL EXTRACTO DE A  AL L OE V E R A  Para obtener el extracto inhibidor a partir de Aloe vera se realizaron los siguientes pasos: I. 

Tomar la muestra de  Aloe vera previamente recolectada y limpiada, y remover la corteza verde que recubre el cristal.

II. 

Una vez obtenidos los cristales se proceden a licuar hasta lograr obtener una solución viscosa.

III. 

Con ayuda de un colador remover las partículas suspendidas para obtener un extracto libre de grumos.

Figura 8. Obtención de extracto de Aloe vera  Fuente. Fotografía del presente experimento

A partir de los extractos obtenidos se tomó una muestra de 250 mL para realizar la caracterización fitoquímica con el fin de determinar la presencia de fenoles, taninos, saponinas, grasas y aceites, los cuales están relacionados con la eficiencia de inhibición de extractos de origen natural (Del Valle , 2013). Las pruebas de identificación aparecen en la Tabla 7.

41

 

Tabla 7. Métodos usados para detección de constituyentes Compuesto

Método

Taninos 

Gelatina-Sal

Saponinas 

Espuma abundante

Grasas y Aceites 

Extracción Soxhlet

Fenoles  

Fotocolorimetría

4.6.3  PRUEBA DE PÉRDIDA DE MASA Para la puesta en marcha se prepararon inicialmente los cupones de acero al carbono, estos cupones tienen unas medidas estandarizadas según la norma ASTM D2688 de 2 x 8 x 0.3 cm. La preparación de los cupones de acero al carbono que estarán en el interior del Rack de tuberías, consistió en hacer un lijado con papel abrasivo para retirar cualquier impureza o rastro de óxido. Una vez terminado se debe hacer un lavado con etanol y registrar con una balanza analítica el peso inicial ( Mi) de cada uno de los cupones. Para la obtención total de los datos se hicieron 6 corridas y en cada corrida se instalan 3 cupones, de los cuales uno es tomado como referencia (cupón #3) y los otros dos como réplicas (cupones #1 y #2). De esta manera se busca garantizar que la prueba principal y sus réplicas están sometidas a las mismas condiciones tanto operacionales como ambientales. En la Figura 5 se observa la numeración de los cupones. En total se utilizaron 18 cupones de acero al carbono para la realización del presente proyecto. Una vez instalados los cupones en el interior de los tubos se procedió a hacer el llenado del tanque verificando que todas las válvulas estén cerradas. El volumen necesario para cada corrida fue de 15L, por ende, para las corridas con inhibidor al 10% y 5% se adicionaron 1.5L y 0.75L respectivamente. A continuación se abrieron las válvulas para darle paso al flujo de agua hacia las bombas centrifugas y posteriormente se ponía en funcionamiento solo una de ellas, verificando que el caudal fuese el apropiado, es decir, 15 o 30 LPM.

42

 

Cada prueba de pérdida de peso fue desarrollada durante 5 días en los cuales se hacían  pesajes de los cupones cada 24 h con el propósito de determinar los pesos finales ( Mf   Mf )).. Con estos datos se elaboraron graficas de pérdida de peso en función del tiempo, con el fin de observar el comportamiento de la velocidad de corrosión con respecto a la concentración del inhibidor y el flujo de agua, para lo cual se apagaba la bomba y se desacoplaban desacopla ban los tapones con el fin de retirar los cupones y hacer la rrespectiva espectiva limpieza. Por último se ejecutó una prueba en estado estático para poder hacer una representación gráfica del fenómeno y compararla con la prueba dinámica. El procedimiento consistió en la inmersión de las placas en un recipiente con las dos concentraciones de inhibidor y sin inhibidor, y al igual que en la prueba dinámica, se realizaron pesajes cada 24h durante 5 días. Para cumplir con los objetivos propuestos propuestos se pesaron diariamente las placas por medio de la balanza analítica ( 0.001g), Marca Precision Instrument .

±

4.6.4  CALCULO DE LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN Los datos experimentales de pérdida de peso proporcionaron la información necesaria  para el cálculo cálculo de la velocidad corrosión por medio medio de la siguiente ec ecuación: uación:

 =      .4  Donde:

 =        ó ó [ [⁄ℎ]   =  []   =     []   =  [ℎ] [ℎ] 

43

 

4.6.5  CALCULO DE LA EFICIENCIA La eficiencia de los inhibidores se define como la capacidad para inhibir la corrosión del metal y se establece en función de la reducción porcentual de pérdida de peso transcurrida las 120 horas. La eficiencia se calculará con la siguiente ecuación:

 %=      100 Ec. Ec.55  Donde:

 =    ℎ ℎ     = é    ℎ ℎ  []   = é     ℎ ℎ  120ℎ  []  La pérdida de masa se determinó pa para ra los diferentes experimentos me mediante diante la expresión: expresión:

 =     Ec.6   =     Ec.7  Donde:

 =     ℎ ℎ  []   =      ℎ ℎ []   = []   =    ℎ ℎ[]

44

 

4.6.6  ANÁLISIS DE VARIANZA Mediante el uso de un software estadístico (STATGRAPHICS), se realizó un análisis de varianza apoyado en un diagrama de Pareto, con los datos obtenidos de la eficiencia de inhibición, la cual permitió definir cuáles son las variables más influyentes del diseño experimental. A continuación se presenta el diagrama de flujo para el procedimiento experimental desarrollado:

Sábila (Aloe vera) 

Pretratamiento de las pencas -

Licuado de los cristales durante 5 min. Filtrado y reposo durante 30 min.

-

-

Pre repa para rarr so solu lucció iónn ac acuo uossa al 5% y10% de extractos de aloe vera. Intro ntrodu duci cirr cup cupoones nes eenn eell Rack. Encender la las bo bombas, verificar el flujo en cada experimento 15 y 30 LPM. Pes esar ar cu cupo ponnes ca cada da 24h 24h

Lavado de la corteza

-

exterior con la agua. Se remueve corteza y se exponen los cristales. 

Preparación de los extractos Pruebas fitoquímicas:

Caracterización fitoquímica de los extractos -

-

Pruebas de pérdida de peso en estado dinámico empleando el Rack de tuberías

Análisis estadístico de los datos registrados.

-

Méto Método do Gela Gelati tina na-S -Sal al (Tan (Tanin inos os))

-

Fo Foli linn-Ci Cioc ocal alte teuu (Fen (Fenol oles es))

-

Extr Extraacció cciónn

sol solvvente entess

(aceites y grasas)

-

Método de espuma abundante (saponinas) 

-

Anális lisis de de vvaarian ianza Diag iagrama de Pareto Diag iagra ram ma ddee int inter erac accció iónn Su Supe perrfi ficcie de res espu pues esta ta

Figura 9. Diagrama de flujo fl ujo del diseño experimental realizado

45

con con

 

5  RESULTADOS Y DISCUSIÓN

5.1  CARACTERIZAC CARACTERIZACIÓN IÓN DE EXTRACTOS La Tabla 8 muestra los resultados entregados por los analistas encargados de realizar la caracterización, caracterizac ión, y se especifica el método utilizado para determinar llaa presencia de cada compuesto. En el Anexo A se encuentra el informe entregado por los analistas.

Tabla 8. Caracterización de los extractos de Aloe vera Compuesto

Método

Concentració Concentración n (mg/mL)

Taninos

Gelatina-Sal

749.75

Saponinas

Espuma abundante

146

Grasas y Aceites Extracción Soxhlet Fenoles

Fotocolorimetría

-668.42

De acuerdo con los resultados de la caracterización fisicoquímica, se evidencia la  presencia de taninos, saponinas y fenoles, los cuales son compuestos orgánicos que confieren al extracto de  Aloe vera  buena acción inh inhibidora. ibidora. Las Las investigaciones investigaciones que involucran  Aloe vera como inhibidor de corrosión, atribuyen el efecto inhibidor a la  presencia de compuestos heterocíclicos de alto peso molecular con heteroátomos y

centros π en su estructura molecular. Dentro de estos compuestos se   encuentran los taninos, saponinas, fenoles, esteroides, esteroides, antraquinonas, entre otros (Del Valle, 2013). Los inhibidores procedentes de extractos naturales tienen generalmente heteroátomos de O, N, S, anillos aromáticos o triples enlaces, los cuales son son los centros activos del proceso de adsorción sobre la superficie del metal (Amitha, 2012). Los átomos de oxigeno  presente en la estructura molecular de los taninos, saponinas y fenoles son adsorbidos

46

 

sobre la superficie del del metal, bloqueando los sitios activos por por la formación de una capa  protectora que desplaza las moléculas de agua, disminuy disminuyendo endo el área área de contacto contacto entre el el metal y el medio corrosivo (Abdel-Gaber, 2006; Loaiza y Vidales, 2013). La presencia de taninos en el extracto de  Aloe vera  transforma el óxido activo en compuestos más estables y resistentes a la corrosión, creando una capa de recubrimiento resultado de una reacción rápida entre el metal oxidado y los taninos (Rahim, 2007). La  presencia de OH - en la posición orto en los anillos aromáticos confiere a los taninos la capacidad de formar quelatos con el hierro y otros metales (Silveira, 2012), debido a que los grupos OH- se atraen para formar fuertes enlaces con el hidrógeno creando complejos con los iones metálicos. El bloqueo en los sitios de formación de micro-ánodos, se debe a la formación de los complejos, retardando posteriormente la disolución del metal (Amitha, 2012). Los taninos pueden interactuar de tres maneras con los iones de hierro (Afidah, 2007). La  primera opción opción co corresponde rresponde a la formación ddee complejos por la interacción de los taninos taninos y los iones Fe2+  para la fo formación rmación de tanatos-ferrosos que se oxidan fácilmente en tanatos-férricos en

presencia de oxígeno oxígeno.. En segundo segundo lugar, los taninos pueden pueden

reaccionar directamente con iones Fe3+ para formar tanatos-férricos. Por último los óxidos de Fe3+  pueden reducirse a iones Fe2+ formándose tanatos-ferrosos (Afidah, 2008), para  posteriormente transformarse en tanatos-férricos tanatos-férricos en pre presencia sencia de oxígeno. Las reacciones para la conversión de Fe3+ en los depósitos de óxidos de Fe3+ se explican a través del siguiente mecanismo:

3+ →  +  2 .8  Posteriormente se produce las siguientes rea reacciones cciones debido a la reducción de los iones Fe3+ y la reacción con los taninos (Afidah, 2008):

 +   − → +  .9  −

+

 

+    →    →  + →   −.10   .11  47

 

(12   2+  2− → ) × 2   .12   +    14   + →  + 12  .13  Por otra parte se ha demostrado que los compuestos fenólicos poseen alta capacidad antioxidante, debido a sus características estructurales, como: número y posición de los hidroxilos fenólicos (Cardozo, 2010).

5.2  EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD INHIBIDORA DE LOS EXTRACTOS La evaluación de la capacidad inhibidora del extracto de  Aloe vera se efectuó a partir de los datos obtenidos de de las pruebas ddee pérdida de masa realizada realizadass en el Rack de tubería, mediante el cálculo de la eficiencia de inhibición variando la concentración del inhibidor (5% V/V y 10% V/V) y el flujo (15 LPM y 30 LPM), con agua potable como medio corrosivo. En el rack de tuberías se dispuso de tres tr es placas de acero al carbono y se tomó como réplica los datos de pérdida de peso obtenidos de la placa #1 y #2 (ver figura 5), con el fin de estimar de manera más precisa los cálculos de la velocidad de corrosión. Se decidió tomar como réplica los datos mencionados anteriormente debido a que se comprobó que la posición de las placas no influye en la velocidad de corrosión, como se evidencia en los datos. La pérdida de masa de los cupones fue calculada cada 24 horas y la eficiencia de inhibición fue estimada al término de cada cada experimento empleando la ma masa sa total pérdida durante los cinco días de cada experimentación, debido a que al ser un proceso dinámico las eficiencias de inhibición calculadas a las 24 horas no mostraban el comportamiento real del fenómeno de corrosión. corrosión. La tabulación ccompleta ompleta de los datos obtenidos obtenidos puede observarse en los Anexos B, C y D.

48

 

5.2.1  EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN El mecanismo corrosivo de un metal inmerso en agua se produce en las regiones anódicas (regiones con mayor tendencia a ser cargado positivamente). El oxígeno disuelto en el 2+

agua oxida iones solubles Fe  produciendo Fe(OH)3. El hidróxido de hierro (III) formado se diferencia en la superficie de metal en forma de manchas amarillentas y marrones. Esta capa de hidróxido no inhibe el ingreso de oxígeno a la superficie y el proceso de corrosión continúa. Luego el Fe(OH) 3 se descompone formando FeOOH y agua (Vasyliev, 2015). El mecanismo de acción del extracto de Aloe vera para inhibir la corrosión corrosión es a través través de la formación de quelatos por la reacción entre los iones solubles Fe 2+ y los grupos funcionales presentes en el extracto, impidiendo la aparición de Fe(OH)3, dando origen a una capa estable que protege al metal de la corrosión (Eddy y Odoemelam, 2009). Las Figuras 10 y 11  11  muestran la comparación entre la pérdida de masa de las placas de acero al carbono en un medio corrosivo (agua potable) sin inhibidor, y con presencia de extractos de  Aloe vera  a las diferentes concentraciones estudiadas. La figura 10 corresponde a las pruebas pruebas realizadas a 15 LPM y la figura 11 corresponde a las pruebas realizadas a 30 LPM. 1200  Blanco  Aloe vera 10%  Aloe vera 5%

1000    )   g   m    (   a   s   a   m   e    d   a    d    i    d   r   e    P

800 600 400 200 0 0

24

48

72 Tiempo (h)

96

120

Figura 10. Pérdida de masa (mg) del acero al carbono en ausencia y presencia del extracto de Aloe vera a 15 LPM. 49

 

1600  Blanco  Aloe vera 10%  Aloe vera 5%

1400    ) 1200   g   m    (   a   a   s 1000   m   e 800    d   a    d    i 600    d   r   e    P 400

200 0 0

24

48

72 Tiempo (h)

96

120

Figura 11. Pérdida de masa (mg) del acero al carbono en ausencia y presencia del extracto de Aloe vera a 30 LPM. Los resultados representados en las Figuras 10 y 11 evidencian el efecto inhibidor que  posee el extracto de Aloe vera. Al observar las figuras fi guras se muestra que la pérdida de masa del acero al carbono en agua potable se redujo significativamente en presencia del extracto de  Aloe vera.  Se observó́ además, que las curvas de prdida de peso para los experimentos en blanco blanco tienen una mayor pe pendiente ndiente que las curva curvass que representan las  pruebas con inhibidor al 5%V/V y 10%V/V. El hecho de que la pendiente de las curvas del inhibidor con extracto sea menor al blanco indica que las moléculas de los extractos fueron adsorbidas sobre la superficie del metal, inhibiendo el proceso corrosivo (Khadraou, 2012). De acuerdo a la Tabla 9, independientemente del flujo, la pérdida de masa disminuye cuando la concentración concentración del inhibidor es may mayor, or, es decir la relación de la concentración concentración del inhibidor a partir del extracto de  Aloe vera  con respecto a la velocidad de corrosión es inversa. Lo anterior se sustenta en que a mayores concentraciones de inhibidor existen mayores cantidades de compuestos fitoquímicos adheridos sobre la superficie del metal, reduciendo el área superficial disponible para el ataque corrosivo (Conforti,2012; Khadraou, 2012). 50

 

El efecto inhibidor del extracto de  Aloe vera se atribuye a la presencia de compuestos orgánicos, ricos en compuestos de alto peso molecular (fenoles, saponinas y taninos) con vera  mostró ser eficiente en la heteroátomos (Benabdellah, 2006). El extracto de  Aloe vera  inhibición de la corrosión de placas de acero al carbono, lo cual se atribuye a la reacción entre los iones férricos y ferrosos que libera el acero y los taninos del extracto, y por consiguiente, a la formación de quelatos estables que actúan actú an como una capa protectora.

Tabla 9. Velocidad de corrosión del acero al carbono en ausencia y presencia del extracto de Aloe vera, en estado diná dinámico mico a 48ºC. VELOCIDAD DE CORROSIÓN (mg/h) EXPERIMENTO

FACTORES Probeta #1

Probeta #2

Probeta #3

Blanco Blanco

-

15 LPM  30 LPM

8.033 11.117

8.367 12.108

8.725 11.900

1

5% V/V

15 LPM

3.567

3.517

3.142

2

10% V/V

15 LPM

1.617

1.633

1.558

3

5% V/V

30 LPM

6.008

5.917

5.958

4

10% V/V

30 LPM

4.275

4.100

4.125

Las velocidades de corrosión más altas se obtuvieron para los ensayos con una concentración de 5%V/V, mientras que las velocidades de corrosión más bajas se obtuvieron para las muestras con concentración de extracto del 10%V/V, obteniéndose unas diferencias entre entre ambas muestras de 1.58 1.5844 mg/h para la velocidad de flujo de 15 LPM y 1.833 mg/h para la velocida velocidadd de 30 LPM. El resultado anterior es consecuente consecuente a la definición de inhibidor de corrosión, definida como una sustancia con la capacidad de disminuir la velocidad de corrosión cuando es añadido a un medio corrosivo (Sharma, 2011). Otras investigaciones donde se estudió el extracto de  Aloe vera como inhibidor de corrosión coinciden con los resultados encontrados en la presente investigación, encontrando que la velocidad de corrosión aumenta al incrementar la concentración del extracto. En sus estudios los autores argumentan sus resultados por la existencia de una 51

 

capa protectora constituida de compuestos fitoquímicos fijados sobre la superficie del metal (Dahmani, 2010; Olusegun, 2010; Kalada, 2014). A partir de los cálculos de la velocidad de corrosión, se determinó la eficiencia del inhibidor. Los resultados se presentan en la Tabla 10.

Tabla 10. Eficiencia de inhibición del extracto de  Aloe vera sobre la corrosión de acero al carbono en estado dinámico.

EFICIENCIA INHIBIDORA EXPERIMENTO

FACTORES Probeta #1

Probeta #2

Probeta #3

1 2

5% V/V 10% V/V

15 LPM 15 LPM

55,60% 79,88%

57,97% 80,48%

63,99% 82,14%

3

5% V/V

30 LPM

45,95%

51,14%

49,93%

4

10% V/V

30 LPM

61,54%

66,14%

65,34%

Los experimentos realizados demuestran que a mayores concentraciones de inhibidor, la eficiencia de inhibición es mayor. Lo anterior se sustenta con la ley básica de adsorción del inhibidor sobre la superficie del metal, donde se sustenta que el grado de protección está relacionado con el grado de cobertura de la superficie metálica, de hecho se ha  planteado correlaciones entre la eficiencia y la concentración del inhibidor asumiendo que el grado de inhibición es igual igual al grado de cobertura de la superficie (Baboian, 2005). Las tendencias identificadas en la Tabla 10 son coherentes con llos os resultados encontrados de la velocidad de corrosión del acero al carbono, debido a que la l a eficiencia de inhibición es un parámetro que representa la diferencia entre la velocidad de corrosión de la muestra sin inhibidor y la velocidad de co corrosión rrosión de la muestra con in inhibidor, hibidor, siempre y cuando ambas pruebas se hayan realizado a las mismas condiciones ambientales y de procesos (Baboian, 2005), por lo cual velocidades de co corrosión rrosión bajas implican implican eficiencias eficiencias altas

52

 

(en el caso de que la velocidad de corrosión del blanco sea menor a las velocidades de corrosión de las muestras con inhibidor).

5.2.2  EFECTO DE LA VELOCIDAD DE FLUJO La Figura 12 representa la comparación entre las pérdidas de masa de las placas de acero al carbono en agua potable sin inhibidor a 15 LPM y 30 LPM (Blancos). Por otra parte, las Figuras 13 y 14 muestra la comparación comparación entre la pérdida de masa de las placa placass de acero al carbono en agua potable con presencia de extracto de  Aloe vera  a las diferentes velocidadess de flujo estudiadas (15 LPM y 30 LPM). Finalmente la Figura 15 representa velocidade todos los experimentos realizados según lo enuncia la metodología.

1600 Blanco 15 LPM

1400

Blanco 30 LPM

   ) 1200   g   m    (   a 1000   s   a   m 800   e    d   a    d    i 600    d   r   e    P 400

Blanco 0 LPM

200 0 0

24

48

72 Tiempo (h)

96

120

Figura 12. Pérdida de masa (mg) ( mg) del acero al carbono en ausencia del extracto de Aloe vera a 0 LPM (prueba estática), 15 LPM

y 30 LPM.

53

 

800 700

 Aloe vera 5% 15 LPM 

   ) 600   g   m500    (   a   s   a 400   m   e    d300   a    d    i    d   r 200   e    P

 Aloe vera 5% 30 LPM 

100 0 0

24

48

72 Tiempo (h)

96

120

Figura 13. Pérdida de masa (mg) del acero al carbono en presencia del extracto de Aloe vera a 5%V/V.

600  Aloe vera 10% 15 LPM 

500    )   g   m400    (   a   s   a   m300   e    d   a 200    d    i    d   r   e

 Aloe vera 10% 30 LPM 

   P 100

0 0

24

48

72 Tiempo (h)

96

120

Figura 14. Pérdida de masa (mg) ( mg) del acero al carbono en presencia del extracto de Aloe vera a 10%V/V. 

54

 

1600

Blanco 15 LPM Blanco 30 LPM Aloe vera 10% 15 LPM Aloe vera 10% 30 LP LPM M Aloe vera 5% 15 LPM Aloe vera 5% 30 LPM

1400 1200

   )   g   m 1000    (   a   s 800   m   e    d 600   a    d    i    d   r 400   e    P

200 0 0

24

48

72 Tiempo (h)

96

120

Figura 15. Pérdida de masa (mg) de las pruebas realizadas a las distintas concentracion concentraciones es y velocidades de flujo. La eficiencia de los inhibidores de corrosión depende de los parámetros hidrodinámicos tales como flujo y régimen de flujo (Liu, 2009; Salama, 22009). 009). En tal sentido el efecto del flujo sobre la eficiencia de inhibición debe ser estudiado, siendo necesario la construcción de un sistema que permita evaluar el efecto del flujo sobre la velocidad de corrosión. Un factor importante es la influencia de los regímenes de flujo sobre la corrosión de las tuberías, debido a que el flujo influye en el mecanismo de corrosión. En la Tabla 9 se  puede apreciar apreciar la relación entre el flujo y la velocidad de corrosión del acero aall carbono. Se encontró que a mayores flujos existe un inc incremento remento en la velocidad de corrosión,  puesto que que un aumento del flujo de ag agua ua suministra más oxíge oxígeno no capaz capaz de reaccionar con el hierro en la superficie del metal (Vasyliev, 2015), provocando el aumento de la velocidad de corrosión del cupón (Sander, 1996). Este comportamiento corresponde a lo reportado en la literatura (Liu, ( Liu, 2009; Salama, 2009). En la Figura 12 se observa que la pérdida de masa de las placas expuestas a condiciones dinámicas es considerablemente alta en comparación a la placa de acero al carbono 55

 

inmersa en agua (prueba en condiciones estáticas). Las Figuras 13  13  y 14 evidencian un aumento en la pérdida de de masa de las láminas cuand cuandoo están expuesta expuestass a mayores flujos. Los cupones de acero al carbono del presente proyecto estuvieron expuestos a flujos de agua con régimen turbulento, cuyos números de Reynolds fueron de 22.635,29 para un flujo de 15 LPM y 45.270,50 pa para ra un flujo de 30 LPM. En consecu consecuencia encia cuando el flujo es turbulento aumenta el transporte de masa de las especies corrosivas, desde el medio corrosivo al metal, ocasionando la eliminación de la capa formada a partir de los  productos de corrosión o los ccompuestos ompuestos de los inhibidores (Olvera, 2015). La La eficiencia de los inhibidores de corrosión disminuye cuando el metal está sujeto a flujos turbulentos, resultado de la incapacidad de permanecer adherido en la superficie del metal (Zeng, 2015). En oposición cuando el régimen de flujo es laminar, la capa inhibidora entre la corriente adyacente de fluido y la superficie del metal es plana, de modo que el desgaste de la misma es lenta. Con caudales mayores, la capa protectora se vuelve más delgada. (Liang, 2013). De acuerdo a lo reportado en la Tabla 10 10   las eficiencias muestran una tendencia a disminuir en función del aumento la velocidad de flujo. En este sentido la eficiencia más  baja (49,93%) corresponde al cupón expuesto a un flujo de agua de 30 LPM y una concentración concentrac ión de extracto de Aloe vera de 5%. Las tuberías de cualquier tipo de proceso manejan fluidos en movimiento constante. El movimiento de los fluidos produce tensiones de cizallamiento en la pared de la tubería, afectando la adherencia de la capa inhibidora a la superficie metálica (Olvera, 2015). Diversos estudios atribuyen atribuyen a los altos flujos la corrosión de la superficie superficie por erosión, la cual es causada por la corrosión molecular y el desgaste del material por el choque de  partículas sólidas. Pro Producto ducto de la erosió erosión, n, la película de óxido es eliminada eliminada y la velocidad velocidad de corrosión se incrementa rápidamente, disminuyendo la vida útil de los componentes de las tuberías metálicas. El fenómeno de la corrosión es causado principalmente por el transporte de reactivos y productos en lugar de erosión u otras influencias mecánicas (Liang, 2013). 56

 

Adicionalmente se realizaron pruebas de pérdida de masa variando la concentración del extracto de Aloe vera en condiciones condiciones estática, ccon on el fin de comparar comparar la influencia que  poseen las condiciones estáticas y dinámicas sobre la velocidad de corrosión. A continuación se especifican los resultados eencontrados: ncontrados:

Tabla 11. Velocidad de corrosión del acero al carbono en ausencia y presencia del extracto de Aloe vera, en estado estático con 5 días de inmersión.

CONCENTRACIÓN

VELOCIDAD

VELOCIDAD

VELOCIDAD

DE

DE

DE

CORROSIÓN

CORROSIÓN

CORROSIÓN

(mg/h) 0 LPM

(mg/h) 15 LPM

(mg/h) 30 LPM

Blanco

-

0.0002158

8.725

11.900

1

5% V/V

0.0000717

3.142

5.958

2

10% V/V

0.0000533

1.558

4.125

La Tabla 11 co confirma nfirma la influencia de la velocidad de flujo sobre la velocidad de corrosión. Las placas de acero al carbono expuestas a condiciones estáticas presentan menor pérdida de masa, causado por una mayor adherencia de los compuestos fitoquímicos del extracto de  Aloe vera  en la superficie del metal. La inhibición en condiciones estática es notable, debido a que la capa orgánica que se forma entre el metal y el medio corrosivo es más resistente, manteniéndose mucho más tiempo sobre la superficie del metal. En contraste, los ensayos en condiciones dinámicas presentan mayor  pérdida de masa. Esto sugiere que existe una constante remoción de los depósitos orgánicos, permitiendo el contacto directo del metal y el medio corrosivo. Lo anterior explica la importancia que tiene la adhesión del inhibidor en la su superficie perficie del metal para el estudio del efecto inhibidor de los recubrimientos orgánicos o cualquier tipo de recubrimiento (Conforti,2012).

57

 

Por ultimo en la Figura 16, puede apreciarse los cupones de acero al carbono expuestos a las distintas condiciones experimentales.

1 2  3   4 5   6  

Figura 16. Fotografía de los cupones sometidos a los experimentos. 1) Cupón inicial, 2) Cupón sin inhibidor*, 3) Cupón 5% y 30 LPM*, 4) Cupón 10% y 30 LPM*, 5) Cupón 5% y 15 LPM*, 6) Cupón 10% y 15 LPM*. *Fotografías tomadas después de 24 horas de experimentación.

Fuente. Creado para el presente experimento. El cupón 2 presenta mayor grado de corrosión en comparación a los cupones que fueron expuestos a la solución con extracto de Aloe vera, presentando corrosión generalizada y  pitting por estar expuesta a un flujo continuo de agua. Por otra parte, al comparar los cupones 3 y 5 se evidencia mayor deterioro en la placa expuesta a 30 LPM, debido a que mayores regímenes de flujos de agua provee más oxígeno, lo cual acelera el proceso de corrosión por picadura. El mismo comportamiento se presenta en los cupones 4 y 6, observando mayor deterioro en la lámina 4 producto de a la alta velocidad a la que está expuesta. Las placas 4 y 6 presentan menor grado de corrosión a comparación del resto 58

 

de las placas (excepto la 1) debido a que la concentración del inhibidor es mayor y por ende la presencia de compuestos fitoquímicos en la capa protectora es superior, disminuyendo así la velocidad de corrosión.

La evaluación de la eficiencia de inhibición de extractos naturales utilizando agua potable como medio corrosivo ha sido poco estudiada. La Tabla 13 es un cuadro comparativo de diversos estudios realizados, donde se especifica el extracto natural utilizado, la concentración, concentrac ión, el medio corrosivo y la eficiencia de iinhibición nhibición de la corrosión.

Tabla 12. Comparación de resultados obtenidos con los encontrados en la literatura lit eratura EXTRACTO

CONCENTRACIÓN DEL

MEDIO

EFICIENCIA DE

EMPLEADO

INHIBIDOR

CORROSIVO

INHIBICIÓN (%)

 Aloe vera1 

10%V/V

Agua de grifo

85%

Ocimum basilicum2 

5.25 g/L

Agua industrial

77.86%

2.96 g/L

Agua industrial

82.02%

0.1 mL/L

Agua

42.85%

Cucurbita pepo3  extractos de tanino4 

1: Olaya y Zapata, (2015) ,2:  Badiea,(2013); 3: Badiea,(2013); 4: Viltres,(2005).

Comparando los resultados consignados consignados en la Tabla 13, se puede afirmar que el extracto de  Aloe vera posee altas eficiencias de inhibición de la corrosión del acero al carbono, similares o mayores a las alcanzada alcanzadass en investigaciones similares. Lo anterior demuestra el uso potencial que posee el extracto de sábila como inhibidor de corrosión producto del alto contenido de taninos, fenoles y saponinas en comparación a otros extractos naturales.

59

 

5.3  ANALISIS DE VARIANZA

Para el desarrollo del análisis estadístico se tomaron los datos de eficiencia de inhibición calculados (ver (ver Tabla 10). Por medio del software STATGRA STATGRAPHICS PHICS XVII se realizó el análisis estadístico para definir cuáles son las variables más influyentes sobre la variable de respuesta. A continuación se especifica el análisis de varianza, el diagrama de Pareto, la gráfica de interacción y la superficie de respuesta para cada factor.

Tabla 13. Análisis de varianza para la inhibición de corrosión del acero al carbono FACTOR

Suma de Cuadrados

G.L

Cuadrado Medio

Razón-F

Valor-P

A: Concentración

702.672

1

702.672

187.98

0,0000

B: Flujo AB

155.489 29.8621

1 1

155.489 29.8621

41.60 7.99

0,0007 0,0301

Error total

22.4282

6

3.73803

Total (corr.)

1655.87

11

La Tabla 12 muestra los resultados del análisis de varianza. Para obtener el análisis de varianza se tomó cada uno de los factores asociados a la variable de respuesta y se comparó con su cuadrado medio y un estimado del error experimental. Los valores arrojados muestran que que los valores P para cada uno de los efectos son inferiores a 0.05 con un nivel de confianza del 95%, lo cual demuestra que las variables experimentales tienen una incidencia significativa sobre la variable de respuesta.

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