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.

Rebeca Leite de Souza Moreira (1)

1 LISE - Laboratoire Interfaces et Systèmes Electrochimiques

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.

Mots clés: biocorrosion; bacteria; iron-reducing; hydrogenotrophic bacteria; EIS; LEIS; chronoamperometry

Mots clés: bactéries ferri-réductrices; bactéries hydrogénotrophes; impédance électrochimique; impédance électrochimique locale; chronoampérométrie

Domaines: Matériaux; Autre

Rebeca Leite de Souza Moreira. 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.. Matériaux. Université Paris 6 - Pierre et Marie Curie, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01379448⟩