Electrochemical study of biocorrosion mechanisms at the carbon steel interface in presence of iron-reducing and hydrogenotrophic bacteria in the nuclear waste disposal context.
Etude électrochimique des mécanismes de la biocorrosion à l'interface de l'acier au carbone en présence de bactéries ferri-réductrices et hydrogénotrophes dans le contexte de stockage des déchets nucléaires.
Résumé
The safety of deep geological repository for nuclear waste is a very important
and topical matter especially for the nuclear industry. Such as nuclear fuel the highlevel
waste have to be stored for time frames of millions of years in metallic
containers. Typically these containers should be placed in deep geological clay
formations 500 metres underground. Corrosion processes, will take place after the
resaturation of the geological medium and under the prevalent anoxic conditions may
lead to the generation of hydrogen. This gas accumulates in clay environment
through the years and eventually becomes hazardous for steel containers. In the
particular environment of geological repositories does not provide much
biodegradable substances. This is the reason that hydrogen represents a new
suitable energy source for hydrogenotrophic bacteria. Thereby formed bacterial
biofilms on the containers may contribute to a process of fast decay of the steel, the
so called biocorrosion.
The aim of this study is to characterize the electrochemical interfaces in order
to obtain the mechanisms of biocorrosion of carbon steels in presence of ironreducing
and hydrogenotrophic bacterium Shewanella oneideinsis.
The products of corrosion processes, namely hydrogen and iron (III) oxides
are used as electron donor and acceptor, respectively. The amount of hydrogen
consumed by Shewanella could be estimated with 10-4 mol s-1 using Scanning
Electrochemical Microscopy (SECM) techniques.
The influence of the local hydrogen generation was evaluated via
chronoamperometry. When hydrogen was locally generated above a carbon steel
substrate an accelerated corrosion process can be observed.
Eventually, using Local Electrochemical Impedance Spectroscopy (LEIS)
techniques, the mechanism of the generalised corrosion process was demonstrated.
La sûreté du stockage de déchets nucléaires est un sujet de préoccupation
majeure, principalement pour les industries de production d’énergie nucléaire. Il est
prévu de stocker les déchets de haute activité pendant des millions d’années dans
des conteneurs en acier inox, avec un surconteneur en acier au carbone enfouis
dans des formations argileuses à une profondeur de 500 m. La resaturation du milieu
va entraîner l’arrivée d’eau au contact du colis provoquant la corrosion des matériaux
métalliques en milieu anoxique, avec production d’hydrogène et de produits de
corrosion comme des oxydes de fer III.
Cette production d’hydrogène représentera une nouvelle source énergétique
pour le développement bactérien, en particulier dans un tel environnement
présentant une faible teneur en matière organique biodégradable. La croissance des
des biofilms bactériennes dans l’environnement des conteneurs en acier carbone
pourrait contribuer à la biocorrosion.
L’objectif de cette étude était de caractériser les interfaces électrochimiques
afin de comprendre les mécanismes de la biocorrosion de l’acier au carbone mis en
jeu en présence de Shewanella oneideinsis, une bactérie ferri-réductrice et
hydrogénotrophe. Pendant cette étude les oxydes de fer III et l’hydrogène formés à
partir de la corrosion anaérobie ont été utilisés comme donneur et accepteur
d’électrons respectivement pour le métabolisme bactérien. Le taux de consommation
d’hydrogène par Shewanella oneidensis a été estimé à l’aide de la technique de
microscopie électrochimique à balayage (SECM) à 10-4 mol s-1. Enfin, l’influence de
la génération locale d’hydrogène a été évaluée par chronoampérométrie. Une
accélération de la vitesse de corrosion a été observée quand l’hydrogène est généré
localement sur le substrat d’acier au carbone. Finalement, le mécanisme de la
corrosion généralisée a été mis en évidence à partir des techniques d’impédance
globale et locale.
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