Risolto il mistero della protezione catodica dalla corrosione

La protezione catodica dalla corrosione è un metodo ampiamente utilizzato per proteggere dalla corrosione le infrastrutture in acciaio. I ricercatori hanno ora chiarito l’esatta modalità d’azione, risolvendo così una questione controversa che ha impegnato la comunità ingegneristica per decenni.

La corrosione è una reazione chimica di cui sono vittime anche le strutture più resistenti: I metalli come l’acciaio reagiscono con l’ossigeno e l’acqua, arrugginiscono e si disintegrano. La protezione catodica dalla corrosione è un’arma importante nella lotta contro la corrosione. Questo metodo protegge le strutture in acciaio rallentando o impedendo i processi che portano alla corrosione.

La protezione catodica dalla corrosione è stata descritta per la prima volta su base scientifica due secoli fa in Inghilterra e da allora ha fornito servizi preziosi per la manutenzione delle infrastrutture moderne, come i gasdotti interrati e le strutture in cemento armato. "Tuttavia, nonostante la sua ampia diffusione, il meccanismo funzionale di base della protezione catodica è rimasto finora poco chiaro e controverso", afferma Ueli Angst, professore di Durabilità dei materiali al Politecnico di Zurigo.

Un gruppo di ricercatori guidati da Angst ha ora compiuto progressi significativi nel chiarire il principio di azione, in particolare per l’acciaio in mezzi porosi come il suolo o il cemento.

La loro pagina esterna, pubblicata sulla rivista Communications Materials del portfolio Nature, fa luce sui complessi processi che avvengono all’interfaccia tra metallo e mezzo poroso durante la protezione dalla corrosione catodica. Per illustrare l’interazione, vale la pena dare un’occhiata alla storia del metodo.

Il principio è nato duecento anni fa

La protezione catodica dalla corrosione risale al chimico e inventore britannico Sir Humphry Davy, che ne descrisse il principio poco più di due secoli fa. All’epoca, la Royal Navy si trovava di fronte a un problema: aveva rivestito gli scafi in legno delle sue navi con lastre di rame per evitare incrostazioni e marciume, ma gli scafi in rame venivano rapidamente attaccati dalla corrosione e si decomponevano nell’acqua salata del mare. Sir Humphry Davy, allora presidente della Royal Society, si mise alla ricerca di una soluzione in nome della scienza.

Nell’Italia settentrionale, Luigi Galvani e Alessandro Volta avevano da poco scoperto il fenomeno del passaggio di corrente elettrica quando si uniscono diversi metalli preziosi. In laboratorio, Davy riuscì a dimostrare che piccole quantità di metalli comuni come lo zinco o il ferro possono proteggere dalla corrosione lastre di rame relativamente grandi, in particolare agendo come anodo sacrificale e corrodendosi.

Nel 1824, la Royal Navy applicò la tecnologia di Davy quasi direttamente dal laboratorio a tutta la sua flotta - troppo prematuramente, a quanto pare. Sebbene gli scafi in rame fossero ora protetti dalla corrosione, persero la loro efficacia contro le incrostazioni marine: le navi divennero sempre più pesanti e poco manovrabili. La Royal Navy dovette rimuovere nuovamente la protezione catodica contro la corrosione e l’episodio di Davy passò alla storia come una lezione significativa sul fallimento dovuto al trasferimento prematuro delle conoscenze nella pratica.

"Oggi sappiamo che la corrente di protezione catodica ha l’effetto collaterale di depositare minerali sul rame, permettendo la crescita di cozze e altri organismi marini", spiega Angst. Nonostante il fallimento di due secoli fa, il lavoro di Davy ha gettato le basi per le applicazioni successive.

Due ipotesi sul funzionamento

Tuttavia, ci vollero altri cento anni circa prima che Robert James Kuhn utilizzasse questa tecnologia negli Stati Uniti, questa volta per rendere permanenti le condutture interrate. Gli appunti di Kuhn dimostrano che negli anni ’20 aveva già una conoscenza dei processi di corrosione molto più approfondita rispetto all’epoca di Davy. Kuhn eseguì anche un’ampia serie di test "sul campo", cioè in condizioni reali.

"La mancanza di comprensione scientifica della protezione catodica dalla corrosione ostacola lo sviluppo di pratiche ingegneristiche valide".

Da allora, la tecnologia si è sviluppata fino a diventare un metodo standard per la protezione dalla corrosione e oggi garantisce una vita più lunga e priva di corrosione a tubature dell’acqua e del gas, serbatoi e navi in particolare, ma anche ponti e parcheggi multipiano.

Tuttavia, nonostante l’uso diffuso nella pratica ingegneristica, i meccanismi d’azione della protezione catodica dalla corrosione sono ancora oggetto di un dibattito controverso.

Da decenni esistono due teorie opposte: Da un lato, vi è l’opinione che la corrente protettiva influenzi direttamente la velocità di corrosione. Dall’altro lato, c’è l’ipotesi che la corrente protettiva porti a un aumento del valore del pH nel mezzo all’interfaccia, che protegge l’acciaio dalla corrosione - un’idea postulata per la prima volta da Kuhn nel 1928.

Secondo Angst, la mancanza di comprensione scientifica ostacola lo sviluppo di pratiche ingegneristiche valide. Un esempio è il criterio di protezione postulato da Kuhn negli anni Venti, ancora oggi utilizzato nelle norme, che richiede un potenziale di -850 millivolt rispetto all’elettrodo di solfato di rame saturo: "Si tratta di un criterio empirico", afferma Angst.

Questo stato di cose incoerente significa anche che le norme si contraddicono l’una con l’altra e nella pratica non è sempre possibile soddisfare contemporaneamente tutte le specifiche standard pertinenti. "Questo è ancora più preoccupante se si considera che la protezione catodica dalla corrosione può essere considerata una tecnologia chiave per le infrastrutture e che viene utilizzata in sistemi rilevanti per la sicurezza come i gasdotti ad alta pressione", continua Angst.

Un meccanismo unificante

Per il loro studio, i ricercatori si sono concentrati sull’interfaccia tra l’acciaio e l’elettrolita e hanno caratterizzato in dettaglio i cambiamenti spaziali e temporali.

Per la prima volta sono riusciti a dimostrare la formazione di una sottilissima pellicola di ossido metallico sulla superficie dell’acciaio, dimostrando che questo strato è il risultato diretto dell’aumento del valore del pH dovuto ai processi elettrochimici in corso.

Federico Martinelli-Orlando, primo autore dello studio, aggiunge: "Siamo anche riusciti a dimostrare che questi cambiamenti chimici sulla superficie dell’acciaio e nell’elettrolita portano a loro volta a cambiamenti nella velocità e nella progressione delle reazioni anodiche e catodiche".

I ricercatori propongono un meccanismo d’azione che risolve le apparenti contraddizioni tra le ipotesi precedenti e mette insieme le due teorie in modo complementare.

"Siamo giunti alla conclusione che dovremmo considerare queste due teorie come complementari piuttosto che contraddittorie per spiegare pienamente il meccanismo d’azione della protezione catodica dalla corrosione", afferma Federico Martinelli-Orlando.

Sulla base delle misurazioni effettuate, i ricercatori hanno sviluppato un modello di impatto che tiene conto di tutti i processi elettrochimici.

Standard coerenti

La comprensione coerente acquisita può aiutare a migliorare le tecnologie di protezione dalla corrosione e a far funzionare le infrastrutture critiche basate sull’acciaio in modo sicuro, economico e rispettoso dell’ambiente.

I risultati possono successivamente "convalidare" i concetti empirici esistenti e costituire la base per approcci coerenti, ad esempio per sviluppare criteri standard fondati per l’efficacia della protezione catodica dalla corrosione.

Le tecnologie scientificamente supportate per la protezione dalla corrosione svolgono attualmente un ruolo importante, soprattutto nel contesto dell’invecchiamento delle infrastrutture, in quanto possono ritardare o evitare la sostituzione delle vecchie strutture. "Se evitiamo la demolizione e la sostituzione di strutture non necessarie, alla fine ne beneficia anche l’ambiente", afferma Angst.

Letteratura di riferimento

Martinelli-Orlando F, Mundra S, Angst UM. Meccanismo di protezione catodica di ferro e acciaio in mezzi porosi. Communications Materials 5, 15 (2024). doi: 10.1038/s43246’024 -00454-y

Angst UM. A Critical Review of the Science and Engineering of Cathodic Protection of Steel in Soil and Concrete, Corrosion 75 (2019) 1420-1433. doi: 10.5006/3355