Durante décadas, o cobre tem sido um material comum para tubulações subterrâneas de água e águas residuais. Sua popularidade é atribuída principalmente às suas muitas propriedades desejáveis, sendo a mais notável a sua excepcional resistência à corrosão. O cobre também é classificado como um metal nobre, o que significa que é altamente resistente à oxidação e a várias formas de ataque químico ácido.
O cobre deriva sua resistência à corrosão do filme fino de óxido que se forma na superfície do metal quando exposto ao oxigênio e à umidade. Essa camada de óxido, chamada pátina, adere firmemente à superfície do metal e atua como uma barreira que protege o substrato de cobre subjacente de uma corrosão adicional. Na maioria das vezes, a camada de pátina é suficiente para garantir a longevidade dos tubos de cobre enterrados e evitar uma maior corrosão do cobre.
Equívocos sobre a corrosão do cobre
No entanto, embora o cobre tenha melhor resistência à corrosão do que a maioria dos metais, ele ganhou erroneamente a reputação de ser resistente à corrosão. Embora o tubo de cobre enterrado possa exibir resiliência em condições relativamente amenas, ele pode, de fato, corroer e degradar em ambientes particularmente agressivos, como os encontrados na zona aerada dos solos. (Para saber mais sobre os mitos em torno do cobre, leia Se o cobre é um metal nobre, por que meus canos estão corroendo?)
O que é a Zona de Aeração?
Para entender a zona de aeração, é essencial entender a formação e a anatomia das águas subterrâneas. A água da chuva que entra em contato com o solo é distribuída de várias maneiras. Uma parte da água escoa de várias superfícies para rios e córregos, completando assim o ciclo hidrológico. Outra parcela significativa é absorvida por árvores e outras plantas ou evapora diretamente na atmosfera. A água pluvial restante (humidade do solo) infiltra-se no solo até atingir uma camada impermeável onde se acumula.
Esse acúmulo cria um reservatório de água armazenado conhecido como água subterrânea abaixo da superfície do solo. A camada de solo e rocha completamente preenchida com água é conhecida como zona de saturação, e sua parte superior, ou limite, é chamada de lençol freático.
A zona de aeração é a região subterrânea que existe entre a superfície do solo e o lençol freático. Consiste principalmente de rocha porosa e solo, onde os espaços entre a matriz do solo contêm uma mistura de ar e água. Nesta camada, o ar e a água interagem, dando origem ao arejamento da água (daí o seu nome).
As propriedades da zona de aeração são altamente dependentes de vários fatores ambientais, incluindo geologia do local, topografia, clima e drenagem. Esses fatores determinam a profundidade do lençol freático e, por extensão, a altura da zona de aeração e saturação. A zona de aeração pode ser inexistente ou pode ter centenas de metros de profundidade.
Como a zona de aeração afeta as taxas de corrosão do cobre
A umidade presente na zona de aeração consiste em quantidades significativas de oxigênio dissolvido. Embora a água bruta e a água tratada também contenham oxigênio dissolvido, as grandes quantidades presentes na zona de aeração podem causar taxas aceleradas de corrosão em tubos de cobre.
Um dos tipos mais comuns de corrosão encontrados em tubulações de cobre subterrâneas e outras estruturas subterrâneas é a corrosão por aeração diferencial. Esse tipo de corrosão ocorre quando uma seção da tubulação é exposta a níveis mais altos de oxigênio dissolvido do que a outra. A parte do tubo de cobre exposta a níveis mais altos de oxigênio dissolvido torna-se um cátodo, enquanto a seção deficiente em oxigênio atua como um ânodo.
No ânodo, a oxidação ocorre quando os elétrons gravitam em direção ao cátodo. Em vez disso, os elétrons são ganhos no cátodo, resultando em uma reação de redução. Durante este processo, é produzida uma célula de aeração diferencial, de modo que a seção de cobre que atua como ânodo sofre corrosão acelerada enquanto o cátodo permanece oxigenado, reduzindo sua taxa de corrosão.
As células de aeração diferencial também tendem a ser autocatalíticas, o que significa que as reações químicas e eletroquímicas em andamento produzem condições que podem promover a continuação da célula e piorar a corrosão ao longo do tempo. Por exemplo, os íons metálicos liberados no ânodo hidrolisam (reagem quimicamente com a água) para diminuir seu pH local e aumentar sua acidez. A redução do pH do eletrólito é conhecida por acelerar a corrosão em metais como o cobre. Por outro lado, as reações de redução no cátodo servem para aumentar o pH do eletrólito, aumentando sua alcalinidade e aumentando as propriedades protetoras da camada de óxido.
A variação nas condições ambientais, como teor de umidade do solo, concentração de oxigênio dissolvido, profundidade da instalação do duto e barreiras de oxigênio (por exemplo, estradas pavimentadas) tendem a criar condições ideais para a formação de células de aeração diferencial. Por exemplo, um tubo de cobre enterrado sob superfícies pavimentadas e não pavimentadas pode ser exposto a solos com vários graus de aeração e conteúdo de oxigênio dissolvido, levando à criação de células de aeração diferencial. (Leitura relacionada: Introdução à corrosão do solo).
O oxigênio dissolvido também é conhecido por ser significativamente mais corrosivo do que o dióxido de carbono. Estudos mostram que o oxigênio dissolvido em água pura a 65°C (149°F) é seis vezes mais corrosivo do que a quantidade equivalente de dióxido de carbono. Além disso, o efeito corrosivo combinado de oxigênio e dióxido de carbono é o dobro desses dois compostos individualmente. O ataque de oxigênio, em particular, é conhecido por causar corrosão profunda em tubos de cobre.
Conclusão
A zona de aeração recebe esse nome devido à mistura de água e oxigênio que ocorre nessa região. Essa mistura aumenta a quantidade de oxigênio dissolvido, o que contribui para o aumento das taxas de corrosão em tubulações e estruturas de cobre enterradas.
A variação do teor de oxigênio dissolvido (entre outras propriedades do solo) sobre a superfície dos tubos de cobre pode produzir células de aeração diferencial que podem causar corrosão localizada, como pitting. Este tipo de corrosão é relativamente agressivo e geralmente excede as propriedades anticorrosivas naturais do cobre.