Die rotierende Zylinderelektrode (RCE) ist eine Technik, die in der Korrosionsforschung eingesetzt wird, um in einer Laborumgebung eine turbulente Strömung zu simulieren, die normalerweise dann auftritt, wenn Flüssigkeiten durch Rohrleitungen transportiert werden.

Die Korrosion der Innenwände von Rohrleitungen entsteht durch die elektrochemische Wechselwirkung zwischen dem Rohrmaterial und den Flüssigkeiten, die durch die Rohre fließen. Die Korrosion der Rohre wird durch die turbulente Strömung in den Rohrleitungen erheblich verstärkt.

Die rotierende Zylinderelektrode (RCE) wird verwendet, um in einer Laborumgebung eine turbulente Strömung an der Oberfläche einer Probe zu erzeugen und dadurch die Strömungsbedingungen in einem Rohr zu simulieren. Mit anderen Worten, die turbulente Strömung einer Flüssigkeit mit bekanntem Durchfluss durch eine Rohrleitung mit gegebenem Innendurchmesser und ihre Auswirkungen auf die Materialoberfläche können in einer Laborumgebung reproduziert werden, indem eine RCE mit einer bestimmten Zylindergröße (aus demselben Material wie das Rohr) verwendet wird, die sich mit einer genau definierten Rotationsgeschwindigkeit dreht.

Daher besteht eine der Hauptanwendungen der RCE darin, die Wirksamkeit von Korrosionsinhibitoren und die Korrosionsanfälligkeit von Rohrmaterialien in einfachen und schnellen elektrochemischen Experimenten zu testen, welche die Strömungsbedingungen im Rohr simulieren.

Experimente, die eine RCE beinhalten, werden durch die Norm ASTM G185 [1] geregelt.

In dieser Application Note wurde die RCE mit einer Zylinderprobe aus Kohlenstoffstahl 1018 unter Verwendung der Messtechnik “Lineare Polarisation” (LP) verwendet. Es wurden zwei LP-Experimente durchgeführt, ein Experiment ohne Korrosionsinhibitor, das andere mit einem dem Elektrolyten zugesetzten Korrosionsinhibitor.

Das gemessene Korrosionspotential E_corr (V) betrug im Falle des Elektrolyten ohne Inhibitor E_corr = -0,479 V und im Falle des Elektrolyten mit Inhibitor E_corr = -0,392 V.

In Abbildung 2 ist das Voltammogramm mit den Messkurven aus den Experimenten der linearen Polarisation (LP) dargestellt. Die blauen Messdaten wurden im Elektrolyten ohne Inhibitor gemessen, die roten Messdaten im Elektrolyten mit dem zugesetzten Inhibitor.

Abbildung 2 zeigt, dass die Daten mit dem Inhibitor im Vergleich zu den Daten ohne Inhibitor auf der rechten Seite der Grafik erscheinen. Das bedeutet, dass im Fall des Elektrolyten mit Inhibitor die gleichen Stromwerte bei einem höheren (edleren) Potential auftreten als beim Elektrolyten ohne Inhibitor.

Bei LP-Messungen kann der Kehrwert der Steigung der i vs. E-Kurve im nahen Bereich von E_corr zur Schätzung des Polarisationswiderstands (R_p , Ω) verwendet werden.

Wenn der Inhibitor dem System hinzugefügt wird, ist eine Abnahme der Steigung zu beobachten, was darauf hinweist, dass R_p zugenommen hat.

Eine lineare Regression um E_corr (hier nicht gezeigt) wurde für die Berechnung von R_p verwendet. Im Fall der LP-Messungen ohne Inhibitor wurde ein Wert von R_p = 42,62 𝛺 ermittelt. In Anwesenheit des Inhibitors ergibt sich ein Wert von R_p = 135,96 𝛺.

In Abbildung 3 ist das Tafel-Diagramm mit den beiden Messkurven dargestellt.

Hier kann E_corr leicht bestimmt werden, es entspricht dem Potentialwert, bei dem der Strom auf Null abfällt, also der Position der negativen Spitze der log(i) vs. E-Kurve.

Die Datenanalyse wurde weiter fortgeführt und zusätzliche Korrosionsparameter mittels Korrosionsanalyse berechnet durch Ausführen des Befehls “Corrosion rate analysis” in der NOVA-Software.

Der berechnete Polarisationswiderstand für die Probe im Elektrolyten ohne Inhibitor betrug R_p = 43,32 𝛺 und für die Probe im Elektrolyten mit Inhibitor R_p = 136,39 𝛺. Die Ergebnisse waren ähnlich wie die zuvor diskutierten Ergebnisse, die anhand der linearen Regression der LP-Messungen erhalten wurden. In Tabelle 1 werden die Ergebnisse der linearen Regression und der Korrosionsanalyse mit und ohne Inhibitor verglichen. Die Werte der Korrosionsraten sind ebenfalls aufgeführt

Die Tatsache, dass der mittels Korrosionsanalyse berechnete Wert des R_p nahe an dem Wert liegt, der mittels linearer Regression anhand der LP berechneten wurde, ist ein zusätzlicher Hinweis darauf, dass die berechneten Korrosionsparameter gültig sind. Es wird deutlich, dass die Korrosionsrate des Materials im Elektrolyten mit dem Inhibitor (0,065 mm Jahr ⁻¹ ) viel niedriger ist als die unter den gleichen Bedingungen im Elektrolyten ohne Inhibitor gemessene Korrosionsrate (0,25 mm Jahr ⁻¹).

Nach der ASTM-Norm G185 kann die Wirksamkeit des Inhibitors mit der folgenden Gleichung berechnet werden:

Dabei ist CR_no inhib (mm Jahr⁻¹) die Korrosionsrate, die ohne Inhibitor berechnet wurde, und CR_inhib (mm Jahr⁻¹) die Korrosionsrate, die bei Vorhandensein des Inhibitors berechnet wurde.

Unter Verwendung der Korrosionsraten aus der Korrosionsanalyse (Tabelle 1) wird die Effizienz des Inhibitors mit 74 % berechnet.

In dieser Application Note wird eine gängige Anwendung der rotierenden Zylinderelektrode auf dem Gebiet der industriellen und akademischen Korrosionsforschung beschrieben. Es wurden zwei Elektrolyte verwendet, von denen einer einen Korrosionsinhibitor auf Tryptamin-Basis enthielt. Lineare Polarisationsexperimente wurden bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 500 U/min durchgeführt, was einer Fließgeschwindigkeit von 𝑣_RCE = 82,3 cm s⁻¹ (2,7 ft s⁻¹) in einem Rohr mit Schedule 40 und einem Innendurchmesser von 30,32 cm (12′′) entspricht. Die Wirkung des Inhibitors wurde durch visuelle Beobachtung, lineare Regression und Korrosionsanalyse anhand der Daten der linearen Polarisation bewertet.

Zum Schluss wurde die Effizienz des Inhibitors berechnet, die zeigt, dass die Korrosionsrate bei Vorhandensein des Inhibitors um 74 % niedriger ist als beim Fehlen des Inhibitors.