KENNISPLATFORM VOOR KATHODISCHE BESCHERMING
GALVANISCH
Bij een galvanische systeem wordt een stalen structuur beschermd door ze elektrisch te verbinden met een groot stuk metaal dat een lagere potentiaal heeft dan het te beschermen metaal, bijvoorbeeld zink, aluminium of magnesium. Dit stuk metaal zal geleidelijk wegcorroderen en daarbij het ermee verbonden onderdeel beschermen. Vandaar de naam opofferingsanode.
Een galvanische systeem is gebaseerd op een galvanisch element (of galvanische cel) en is een elektrochemische stroombron; een toestel dat een elektrische stroom kan leveren als resultaat van een chemische omzetting, de redoxreactie. Een galvanisch element bestaat uit twee elektrisch geleidende platen van verschillende metalen, die door een elektrolytische zoutbrug of poreuze schijf met elkaar verbonden zijn. Andere namen zijn voltacel en elektrochemisch element.
GESCHIEDENIS
Het element is vernoemd naar de Italiaanse arts en natuurwetenschapper Luigi Galvani. In 1780 ontdekte hij dat wanneer twee verschillende metalen (bijvoorbeeld koper en ijzer) met elkaar verbonden werden, deze de zenuw van een kikkerspier konden stimuleren waardoor de kikkerpoot samentrok. Dit verschijnsel werd door hem bio-elektriciteit genoemd.
Zijn vriend Alessandro Volta, hoogleraar natuurkunde aan de universiteit van Pavia, bouwde op zijn experimenten voort. Deze stelde vast dat elke combinatie van twee metalen elektriciteit kon produceren, ook zonder spierweefsel erbij te betrekken. Dit leidde tot de constructie van het eerste galvanische element, het Volta-element. Deze bestond uit een koperen en zinken plaat gescheiden door vilt dat in een zoutoplossing was gedrenkt. Door een aantal van zulke elementen opeen te stapelen, verkreeg hij de Zuil van Volta (rond 1800).
Dankzij deze uitvindingen konden de moderne batterijen gemaakt worden.
Zoals te zien in bovenstaand figuur bestaat een galvanisch element uit twee halfelementen.
Een galvanisch systeem, welke gebruikt wordt bij kathodische bescherming, is in principe een van de twee halfelementen want de tweede halfelement is de stalen struktuur welke beschermd wordt tegen corrosie (Bron : Wikipedia).
WERKING
De metaalatomen van de het metaal (elektrodes) hebben de eigenschap om op te lossen in de vloeistof (elektrolyt) waarbij er positief geladen metaalionen in het elektrolyt (waterig milieu) gaan en de negatief geladen elektronen achterblijven op de elektrode. Deze reactie is beschreven door onderstaande reactievergelijkingen.
Zn => Zn2+ + 2e of Al => Al3+ + 3e of Mg => Mg2+ + 2e
Er zal hierdoor een potentiaalverschil ontstaan tussen elektrode en het elektrolyt. De oplossingsdrang van een metaal is des te groter naarmate het metaal onedeler is.
Als voorbeeld wordt hier zink als anodemateriaal gebruikt. Omdat zink onedeler is dan staal zal het zink sneller zijn elektronen afgeven en dus een meer negatief potentiaal hebben dan het staal. Door een elektrische verbinding aan te brengen tussen het zink en het staal zullen de elektronen van de meer negatief geladen zink-elektrode naar het minder negatieve staal gaan. Er loopt nu een elektrische stroom die tegengesteld is aan de elektronenstroom.
Op hetzelfde moment zal ook een ionenstroom op gang komen. Voor iedere twee elektronen die van de zinkstaaf naar het staal lopen zal een Zn-atoom in de elektrolytoplossing gaan als Zn2+ -ion. Omdat het staal er twee elektronen bij krijgt, zal er een kathodische reactie plaatsvinden. Deze kathodische reactie verbruikt water en zuurstof, dus zal er voldoende vocht en zuurstof voorhanden moeten zijn om deze reactie op gang te houden.
H2O + O2 + 2e => OH-
Deze kathodische reactie is hetzelfde als de reactie bij opgelegde stroom. Is er geen vocht of zuurstof voorhanden, dan zal de vraag naar elektronen afnemen. Immers er is een gebrek aan materiaal om de kathodische reactie op gang te houden, dus zal men tijdens metingen een afname van de stroom tussen anode en kathode meten.
OPOFFERINGSANODEN EN BETON
Een belangrijke voorwaarde van het elektrolyt is dat de opofferingsanode in staat moet zijn om zich hierin te kunnen oplossen. Zouden we anodemateriaal zoals zink, aluminium of magnesium direct in het beton plaatsen, dan zal het beton -mits continue verzadigd aan vocht- niet in staat zijn om dit soort metalen actief te houden met als gevolg dat ze zich passief gaan gedragen. De laatste 2 - 3 decennia zijn er nieuwe technieken ontwikkeld, die ervoor zorgen dat anodemateriaal niet passiveert maar onder alle omstandigheden aktief blijft. Deze technieken zijn afgekeken van de batterijen. Welbeschouwd zijn batterijen ook galvanische elementen, die onder alle omstandigheden stroom moeten leveren.
VERSCHILLEN TUSSEN ICCP EN GCP
Kathodische bescherming met behulp van galvanische anoden (GCP) is dus anders in vergelijking tot een systeem met opgelegde stroom (ICCP). De volgende verschillen kunnen opgemerkt worden:
-
Galvanische anoden hebben geen stroombron nodig, dus vervalt de stroombron inclusief de gehele bedradinginstallatie, wat het simpel, goedkoop en betrouwbaar maakt.
-
Bij een galvanisch systeem ligt het potentiaalverschil tussen anode en de struktuur die beschermd wordt vast en kan niet veranderd worden. Dit in tegenstelling tot een systeem met opgelegde stroom, waarbij de spanning en of stroom aangepast kunnen worden. Deze limitering van potentiaalverschil zorgt ervoor dat de anoden een beperkt gebied hebben waarbinnen ze effectief zijn, al kan dit eenvoudig gecompenseerd worden door meerdere anoden per vierkante meter aan te brengen.
-
Galvanische anoden moeten direct aan de wapening verbonden worden om de stroomkring te kunnen sluiten.
-
Galvanische anoden zijn opofferingsanoden, dat wil zeggen ze offeren zich op ter bescherming van het staal in het beton. Dit betekent dat een anode naverloop van tijd gewoon opgebruikt wordt, waardoor afhankelijk van het ontwerp een levensduur gerealiseerd wordt van 10 tot 30 jaar.