Развитие гидроксисульфатного GREEN RUST на поверхности стали, контактирующей с водными растворами FeSO4 и Fe2(SO4)3

УДК (549.057 + 549.5) : 544.77

https://doi.org/10.15407/mineraljournal.37.02.023

Е.Н. Лавриненко, Ю.С. Щукин Институт биоколлоидной химии им. Ф.Д. Овчаренко НАН Украины 03680, г. Киев-142, Украина, бульв. Акад. Вернадского, 42 E-mail: alena-lavry@yandex.ru Минералогический журнал 2015, 37 (2): 23-36 Аннотация: С помощью методов рентгенофазового анализа in situ и сканирующей электронной микроскопии проведено исследование процессов формирования и трансформации гидроксисульфатного Green Rust GR(SO42–) (сульфатного фойгерита) на поверхности стали, контактирующей с водными растворами FeSO4 и Fe2(SO4)3 в окислительных и восстановительных условиях. Показано, что коллоидно-химический механизм развития минеральных фаз определяется локальными физико-химическими условиями на поверхности стали. Так, на ее анодных участках происходит растворение и переосаждение слабоокристаллизованных дисперсных минералов в ряду: швертманнит → гетит (ферригидрит) → Green Rust, а на катодных участках — твердофазная трансформация Green Rust в его окисленную форму Fe(III)–GR или лепидокрокит. Образование наноразмерных частиц магнетита проходит в условиях ограниченного доступа кислорода и обусловлено взаимодействием мицеллярных структур Fe(II) и Fe(III) или продуктов растворения Green Rust. Ключевые слова: Fe(II)–Fe(III) слоистые двойные гидроксиды, гидроксисульфатный Green Rust, наночастицы, сульфатный фойгерит, швертманнит, Fe(III)–Green Rust, лепидокрокит, магнетит, поверхность стали, оки слительно-восстановительные условия. Литература: 1. Гинье А. Рентгенография кристаллов: пер с фр. — М. : Физматгиз, 1961. — 604 с. 2. Лавриненко О.М. Одержання композиційних структурованих систем на основі ферум-оксигенвмісних мінералів, їх структура та властивості: Aвтореф. дис. … д-ра хім. наук. — К., 2013. — 40 с. 3. Эванс Ю.Р. Коррозия и окисление металлов (Теоретические основы и их практическое применение): пер. с англ. — М. : Машгиз, 1962. — 856 с. 4. Acero P., Ayora C., Torrento C., Nieto J.-M. The behaviour of trace elements during schwertmannite precipitation and subsequent transformation into goethite and jarosite // Geochim. et cosmochim. acta. — 2006. — 70. — P. 4130—4139. 5. Ahmed A. M., Benning L.G., Kakonyi G., Sumoondur A.D., Terrill N.J., Shaw S. Formation of Green Rust Sulfate: A Combined in Situ Time-Resolved X-ray Scattering and Electrochemical Study // Langmuir. — 2010. — 26, No 9. — P. 6593—6603. 6. Antony H., Labri, A., Rouchaud J. C., Legranda L., Chausséa A. Study of FeII /FeIII ratio in thin films of carbonate or sulphate green rusts obtained by potentiostatic electrosynthesis // Electrochim. acta. — 2008. — 53. — P. 7173—7181. 7. Antony H., Peulon S., Legrand L., Chausse A. Electrochemical synthesis of lepidocrocite thin films on gold substrate — EQCM, IRRAS, SEM and XRD study // Electrochim. acta. — 2004. — 50. — Р. 1015—1021. 8. Barham R.J. Schwertmannite: A unique mineral, contains a replaceable ligand, transforms to jarosites, hematitesand / or basic iron sulphate // J. Mater. Res. — 1997. — 12. — P. 2751—2758. 9. Berthelin J., Ona-Nguema G., Stemmler S., Quantin C., Abdelmoula M., Jorand F. Bioreduction of ferric species and biogene sis of green rusts in soils // C. r. Géosci. — 2006. — 338, No 6—7. — P. 447—455. — Doi: 10.1016/j.crte. 2006.04.013. 10. Bigham J.M., Carlson L., Murad E. Schwertmannite a new iron oxyhydrohysulfate from Pyha¨salmi, Finlandand other localities // Miner. Mag. — 1994. — 58. — P. 641—648. 11. Bigham J.M., Nordstrom D.K. Iron and aluminum hydroxysulfates from acid sulfate water // Sulfate Minerals: Crystallography, Geochemistryand Environmental Significance / Ed. C.N. Alpers et al. — 2000. — P. 351—403. — (Revs in Mineralogy ; Vol. 40). 12. Bigham J.M., Schwertmann U., Traina S.J., Winland R.L., Wolf M. Schwertmannite and the chemical modelling of iron in acid sulphate waters // Geochim. et cosmochim. acta. — 1996. — 60. — P. 2111—2121. 13. Carey E., Taillefert M. The role of soluble Fe(III) in the cycling of iron and sulfur in coastal marine sediments // Limnol. and Oceanogr. — 2005. — 50. — P. 1129—1141. 14. Carlson L. Mineralogy of ochreous precipitates formed from mine effluents // Modern approaches to ore and environment mineralogy: Extended Abstract of Mini Sympos (Espoo Finland, 11—17 June 2000). — P. 3—4, available at: http://tupa.gtk.fi/julkaisu/opas/op_048.pdf. 15. Chaves L.H.G. The role of green rust in the environment: A review // Rev. bras. eng. agrHc. ambient. — 2005. — 9, No 2. — P. 1—9. — Doi: 10.1590/S1415-43662005000200021. 16. Detournay J., De Miranda L., Dérie R., Ghodsi M. The region of stability of green rust II in the electrochemical potential — pH equilibrium diagram of iron sulphate medium // Corros. Sci. — 1975. — 15, Is. 5. — P. 295—306. 17. Dinh H.T., Kuever J., Mußmann M., Hassel A.W., Stratmann M., Widdel F. Iron corrosion by novel anaerobic microorganisms // Nature. — 2004. — No 427. — P. 829—832. — Doi: 10.1038/nature02321. 18. Feder F., Trolard F., Klingelhöfer G., Bourrié G. In situ Mössbauer spectroscopy: Evidence for green rust (fougerite) in a gleysol and its mineralogical transformations with time and depth // Geochim. et cosmochim. acta. — 2005. — 69, No 18. — P. 4463—4483. 19. Fredrickson J.K., Zachara J.M., Kennedy D.W., Dong H., Onstott T.C., Hinman N.W., Li S.-M. Biogenic iron mineralization accompanying the dissimilatory reduction of hydrous ferric oxide by a groundwater bacterium // Geochim. et cosmochim. acta. — 1998. — 62, No 19—20. — P. 3239—3257. 20. Génin J.-M.R., Bourrié G., Trolard F., Abdelmoula M., Jaffrezic A., Refait P., Maître V., Humbert B., Herbillon A. Thermodynamic equilibria in aqueous suspensions of synthetic and natural Fe(II)–Fe(III) green rusts: Occurrences of the mineral in hydromorphic soils // Environ. Sci. and Technol. — 1998. — 32. — P. 1058—1068. 21. German C.R., von Damm K.L. Hydrothermal processes // Treatise Geochem. — 2004. — 6. — P. 181—222. 22. Jonsson J., Persson P., Sjoberg S., Lovgren L. Schwertmannite precipitated from acid mine drainage: phase transformation, sulphate release and surface properties // Appl. Geochem. — 2005. — 20. — P. 179—191. 23. Kennedy C.B., Scott S.D., Ferris F.G. Ultra structure and potential sub-seafloor evidence of bacteriogenic iron oxides from axial volcano, Juande Fuca Ridge, north-east Pacific Ocean // FEMS Microbiol. Ecol. — 2002. — 1457. — P. 1—8. 24. Kimijima K., Kiyoshi K., Suzuki S., Muramatsu A. Current Advances in materials and processes // ISIJ. — 2005. —18. — Р. 1673. 25. Lair V., Antony H., Legrand L., Chausse´ A. Electrochemical reduction of ferric corrosion products and evaluation of galvanic coupling with iron // Corros. Sci. — 2006. — 48. — P. 2050—2063. 26. Lavrynenko O.M., Korol Ya.D., Netreba S.V., Prokopenko V.A. Kinetic regularity of the formation of Fe(II)–Fe(III) LDH structures (Green Rust) on the steel surface in presence of the FeSO4 and Fe2(SO4)3 water solutions // Chem., Phys. and Technol. Surf. — 2010. — 1, No 3. — P. 338—342. 27. Lavrynenko O.M., Kovalchuk V.I., Netreba S.V., Ulberg Z.R. New rotation-corrosion dispergation method for obtaining of iron-oxygen nanoparticles // Nanostudies. — 2013. — 7. — P. 295—322. 28. Lavrynenko O.M., Shchukin Yu.S., Pavlenko O.Yu., Kosorukov P.A. The features of the non-stoichiometric cobalt spinel ferrite and magnetite nanoparticle formation under rotation-corrosion dispergation conditions // Наноструктур. материаловедение. — 2014. — N 1. — P. 3—26. 29. Lavrynenko O.M., Shchukin Yu.S. Development of the hydroxycarbonate Green Rust on the steel surface contacting with water dispersion medium in the temperature range from 3 to 70 °C // Mineral. Journ. (Ukraine). — 2015. — 37, No 1. — P. 22—33. 30. Legrand L., Mazerolles L., Chausse A. The oxidation of carbonate green rust into ferric phases: solid-state reaction or transformation via solution // Geochim. et cosmochim. acta. — 2004. — 68, No 17. — Р. 3497—3507. 31. Loan M., Richmond W.R., Parkinson G.M. On the crystal growth of nanoscale schwertmannite // J. Cryst. Growth. — 2005. — 275. — P. 1875—1881. 32. Olowe A.A., Génin J.-M. R., Bauer Ph. Mössbauer effect evidence of a ferrous sulphate layer in the structure of green rust 2 and its atmospheric oxidation // Hyperfine Interact. — 1989. — 46. — P. 437—443. 33. Perales O., Umetsu Y. ORP-monitored magnetite generation from aqueous solutions at low temperatures // Hydrometallurgy. — 2000. — 55. — P. 35—56. 34. Peulon S., Legrand L., Antony H., Chaussé A. Electrochemical deposition of thin films of green rusts 1 and 2 on inert gold substrate // Electrochem. Commun. — 2003. — 5. — P. 208—213. 35. Refait Ph., Bernali O., Abdelmoula M., Genin J.-M.R. Formation of ferric green rust and/or ferrihydrite by fast oxidation of iron (II—III) hydroxychloride green rust // Corros. Sci. — 2003. — 45. — P. 2435—2449. 36. Refait P., Memet, J.-B., Bon C., Sabota R., Génin J.-M.R. Formation of the Fe(II)-Fe (III) hydroxysulphate green rust during marine corrosion of steel // Corros. Sci. — 2003. — 45, No 4. — P. 833—845. 37. Ruby C., Gehin A., Aissa R., Genin J.-M.R. Mass-balance and Eh—pH diagrams of FeII—III green rust in aqueous sulphated solution // Corros. Sci. — 2006. — 48. — P. 3824—3837. 38. Russell M.J., Hall A.J., Boyce A.J., Fallick A.E. On Hydrothermal Convection Systems and the Emergence of Life // Bull. Soc. Econ. Geol. — 2005. — 100, No 3. — P. 419—438. 39. Schwertmann U., Carlson L. The pH-dependent transformation of schwertmannite to goethite at 25 °C // Clay Miner. — 2005. — 40. — P. 63—66. 40. Schwertmann U., Cornell R.M. Iron oxides in the laboratory: preparation and haracterization. — Weinheim – New York – Bazel – Cambridge, 2000. — 188 p. 41. Schwertmann U., Fechter H. The formation of Green Rust and its transformation to lepidocrocite // Clay Miner. — 1994. — 29. — P. 87—92. 42. Tamaura Y., Yoshida T., Katsura T. The synthesis of green rust II (FeIII1-FeII2) and its spontaneous transformation into Fe3O4 // Bull. Chem. Soc. Jap. — 1984. — 57. — P. 2411—2416. 43. Washeda Y., Suzuki S. Characterization of Corrosion products on Steel Surface. — Springer, 2005. — 297 p. 44. Yu J.-Y., Heo B., Choi I.-K., Cho J.-P., Chang H.-W. Apparent solubilities of schwertmannite and ferrihydrite in natural stream waters polluted by mine drainage // Geochim. et cosmochim. acta. — 1999. — 63. — P. 3407—3416. 45. Yu J.-Y., Park M., Kim J. Solubilities of synthetic schwertmannite and ferrihydrite // Geochem. J. — 2002. — 36, No 2. — P. 119—132.