La protezione catodica è un metodo per proteggere le strutture metalliche dalla corrosione. I metalli di cui sono fatte queste strutture – comunemente acciaio – sono soggetti a corrosione attraverso una reazione di ossidazione quando sono a contatto frequente con l’acqua. La reazione coinvolge il metallo che cede elettroni ed è promossa da tracce di sali disciolti nell’acqua, che fanno agire l’acqua come un elettrolita. La corrosione può quindi essere vista come un processo elettrochimico. La protezione catodica trasforma la struttura metallica in un catodo, un elettrodo caricato positivamente, installando una cella elettrochimica utilizzando un metallo più elettropositivo come anodo, in modo che la struttura non perda elettroni nell’ambiente circostante.
Questo metodo di protezione può essere utilizzato su tubazioni e serbatoi interrati; strutture fuori terra, come tralicci elettrici; e strutture parzialmente sommerse, come navi e piattaforme di perforazione. Può essere utilizzato anche per proteggere i tondini di acciaio in cemento armato. I metalli che sono più resistenti alla corrosione tendono ad essere più costosi dell’acciaio e possono non avere la resistenza necessaria, quindi l’acciaio protetto dalla corrosione è solitamente l’opzione migliore, sebbene anche altri metalli che possono corrodersi possano essere protetti in questo modo.
L’acciaio è costituito principalmente da ferro, che ha un potenziale redox di -0.41 volt. Ciò significa che tenderà a perdere elettroni in un ambiente che ha un potenziale redox meno negativo, come l’acqua, che può entrare in contatto con questo metallo sotto forma di pioggia, condensa o terreno umido circostante. Le gocce d’acqua a contatto con il ferro formano una cella elettrochimica in cui il ferro viene ossidato dalla reazione Fe -> Fe2+ + 2e-. Gli ioni ferro II (Fe2+) vanno in soluzione nell’acqua, mentre gli elettroni fluiscono attraverso il metallo, e al bordo dell’acqua, un’interazione di elettroni, ossigeno e acqua produce ioni idrossido (OH-) mediante la reazione: O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-. Gli ioni idrossido negativi reagiscono con gli ioni ferro II positivi nell’acqua, formando idrossido di ferro II insolubile (Fe(OH)2), che viene poi ossidato ad ossido di ferro III (Fe2O3), meglio conosciuto come ruggine.
Esistono due metodi principali di protezione catodica che cercano di prevenire questa corrosione fornendo una fonte alternativa di elettroni. Nella protezione galvanica, un metallo con un potenziale redox più negativo rispetto al metallo da proteggere è collegato alla struttura tramite un filo isolato, formando un anodo. Il magnesio, con un potenziale redox di -2.38 volt è spesso usato per questo scopo – altri metalli comunemente usati sono alluminio e zinco. Questa procedura imposta una cella elettrica con una corrente che scorre dall’anodo alla struttura, che funge da catodo. L’anodo perde elettroni ed è corroso; per questo motivo è noto come “anodo sacrificale”.
Un problema con la protezione catodica galvanica è che, alla fine, l’anodo sarà corroso al punto da non fornire più protezione e deve essere sostituito. Un sistema di protezione catodica alternativo è la protezione catodica a corrente impressa (ICCP). Questo è simile al metodo galvanico, tranne per il fatto che un alimentatore viene utilizzato per generare una corrente elettrica dall’anodo alla struttura da proteggere. È necessaria una corrente continua (DC), al contrario della corrente alternata (AC), quindi viene utilizzato un raddrizzatore per convertire AC in DC. Questo metodo fornisce una protezione molto più duratura in quanto la corrente viene fornita dall’esterno invece di essere generata dalla reazione dell’anodo con l’ambiente circostante, in modo che la durata dell’anodo sia notevolmente aumentata.