Развитие гидроксикарбонатного GREEN RUSt на поверхности стали, контактирующей с водной дисперсионной средой в диапазоне температуры от 3 до 70 °C

УДК (549.057+549.5) : 544.77

https://doi.org/10.15407/mineraljournal.37.01.022

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 Язык: английский Минералогический журнал 2015, 37 (1): 22-33 Аннотация: Исследовано влияние рН водной дисперсионной среды и температуры на процесс формирования гидроксикарбонатного Green Rust GR(CO3 2–) на поверхности стали в условиях ротационно-коррозионного диспергирования (РКД). На основании данных рентгенофазового анализа in situ и сканирующей электронной микроскопии показана зависимость морфологии частиц лепидокрокита и магнетита от коллоидно-химического механизма их формирования. Установлено, что в результате твердофазной трансформации GR(CO3 2–) частицы лепидокрокита наследуют его пластинчатую форму, а при растворении GR(CO3 2–) и переосаждении продуктов его растворения частицы лепидокрокита приобретают иглообразную форму. Другой продукт растворения—переосаждения GR(CO3 2–) — магнетит, который образуется на прилегающей к поверхности стали стороне окисной пленки и характеризуется сферической формой и нанометровыми размерами частиц. Оптимальные условия формирования GR(CO3 2–) на поверхности стали в условиях РКД зафиксированы после пятичасового прохождения процесса фазообразования при pH 11,0 и Т = 20 °С, а также рН ~6,0 и Т = 25—35 °C. Ключевые слова: Fe(II)–Fe(III) слоистые двойные гидроксиды, гидроксикарбонатный Green Rust, лепидокрокит, магнетит, поверхность стали, условия ротационно-коррозионного диспергирования. Литература: 1. Гинье А. Рентгенография кристаллов : Пер с фр. — М. : Физматгиз, 1961. — 604 с. 2. Лавриненко Е.Н. Роль катионов железа дисперсионной среды при образовании железо-кислородных структур в системах на основе железа и углерода // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. — 2008. — 6, спец. вип. 2. — С. 529—550. 3. 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. 4. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. — 6-е изд. перераб. и доп. — М. : Химия, 1989. — 448 с. 5. Прокопенко В.А., Лавриненко Е.Н., Ващенко А.А., Надел Л.Г. Адаптация традиционных физико-химических методов разделения для дисперсных фаз железо-кислородных соединений // Экотехнологии и ресурсосбережение. — 2005. — № 6. — С. 36—42. 6. Эванс Ю.Р. Коррозия и окисление металлов (Теоретические основы и их практическое применение) : Пер. с англ. — М. : Машгиз, 1962. — 856 с. 7. Юнг Л. Анодные оксидные пленки : Пер. с англ. — Л. : Энергия, 1967. — 232 с. 8. Allmann R. The crystal structure of pyroaurite // Acta Crystallogr. B. — 1968. — 24. — P. 972—977. 9. Allmann R., Jepsen H.P. Die Struktur des Hydrotalkits // Neues Jahrb. Mineral. Monatsh. — 1969. — B12. — P. 544—551. 10. 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. 11. Bernal J.D., Dasgupta D.R., Mackay A.L. The oxides and hydroxides of iron and their structural inter-relationships // Clay Miner. Bull. — 1959. — 4. — P. 15—30. 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. Duan J., Wu S., Zhang X., Duc M., Ho B. Corrosion of carbon steel influenced by anaerobic biofilm in natural seawater // Electrochim. Acta. — 2008. — 54, Is. 1. — P. 22—28. 14. Génin J.-M.R., Ruby C. Anion and cation distributions in Fe(II–III) hydroxysalt green rusts from XRD and Mössbauer analysis (carbonate, chloride, sulphate, ...); the "fougerite" mineral // Solid State Sci. — 2004. — 6. — P. 705—718. 15. Génin J.-M.R., Ruby Ch., Gеhin A., Refait Ph. Synthesis of green rusts by oxidation of Fe(OH)2, their products of oxidation and reduction of ferric oxyhydroxides; Eh–pH Pourbaix diagrams // C.R. Geosci. — 2006. — 338. — P. 433—446. 16. Génin J.-M.R., Ruby C. Composition and anion ordering in some FeII–FeIII hydroxysalt green rusts (carbonate, oxalate, methanoate): The fougerite mineral // Solid State Sci. — 2008. — 10. — P. 244—259. 17. Hancen H.C.B. Composition, stabilization, and light absorption of iron(II)–iron(III) hydroxycarbonate ("Green rust") // Clay Miner. — 1989. — 24. — P. 663—669. 18. Jambor J.L., Raudsepp M., Mountjoy K. Mineralogy of permeable reactive barriers for the attenuation of subsurface contaminants // Can. Miner. — 2005. — 43. — P. 2117—2140. 19. 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 // Chemistry, Physics and Technology of Surface. — 2010. — 1, No 3. — P. 338—342. 20. 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. 21. Lavrynenko O.M., Netreba S.V., Prokopenko V.A., Korol Ya.D. The influence of the pH value and the cation composition of dispersion medium on the formation of iron-oxygen structures on steel surface // Chemistry, Physics and Technology of Surface. — 2011. — 2, No 1. — P. 93—100. 22. 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. 23. Legrand L., Savoye S., Chausse A., Messina R. Study of oxidation products formed on iron in solutions containing bicarbonate/carbonate // Electrochim. Acta. — 2000. — No 46. — P. 111—117. 24. Lewis D.G. Factors influencing the stability and properties of Green Rusts // Adv. Geoecol. — 1997. — 30. — P. 345—372. 25. Leygraf C., Graedel T. Atmospheric Corrosion. — New York : Wiley Intersci., 2000. — 354 p. 26. O’Loughlin Ed.J., Larese-Casanova Ph., Scherer M., Cook R. Green Rust Formation from the Bioreduction of γ-FeOOH (Lepidocrocite): Comparison of Several Shewanella Species // Geomicrobiol. J. — 2007. — 24, Is. 3—4. — P. 211—230. 27. Ona-Nguema G., Carteret C., Benali O., Abdelmoula M., Génin J.-M.R., Joranda F. Competitive formation of hydroxycarbonate green rust I vs hydroxysulphate green rust II in Shewanella putrefaciens cultures // Geomicrobiol. J. — 2004. — 21. — P. 79—90. 28. Peulon S., Antony H., Legrand L., Chausse A. Thin layers of iron corrosion products electrochemically deposited on inert substrates: synthesis and behaviour // Electrochim. Acta. — 2004. — 49. — P. 2891—2899. 29. Peulon S., Legrand L., Antony H., Chaussé A. Electrochemical deposition of thin films of green rusts 1 and 2 on inert gold substrate // Electrochim. Commun. — 2003. — 5. — P. 208—213. 30. Refait P., Abdelmoula M., Génin J.-M.R. Mechanisms of formation and structure of green rust one in aqueous corrosion of iron in the presence of chloride ions // Corros. Sci. — 1998. — 40. — P. 1547—1560. 31. Srinivasan R., Lin R., Spicer R.L., Davis B.H. Structural features in the formation of the green rust intermediate and γ-FeOOH // Coll. Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. — 1996. — 113, Nо 1. — P. 97—105. 32. Sumoondur A., Shaw S., Ahmed I., Benning L.G. Green rust as a precursor for magnetite: an in situ synchrotron based study // Miner. Mag. — 2008. — 72, Nо 1. — P. 201—204. 33. Takahashi Y., Matsubara E., Suzuki S., Okamoto Y., Komatsu, T., Konishi H., Mizuki J., Waseda Y. In-situ X-ray Diffraction of Corrosion Products Formed on Iron Surfaces // Mater. Transactions. — 2005. — 46, Nо 3. — P. 637—642. 34. Tamura H. The role of rusts in corrosion and corrosion protection of iron and steel // Corros. Sci. — 2008. — 50. — P. 1872—1883. 35. Tang Z., Hong S., Xiao W., Taylor J. Characteristics of iron corrosion scales established under blending of ground, surface, and saline waters and their impacts on iron release in the pipe distribution system // Corros. Sci. — 2006. — 48, No 2. — P. 322—342. 36. Trolard F., Abdelmoula M., Bourrie G., Humbert B., Génin J.-M.R. Evidence of the occurrence of a "Green Rust" component in hydromorphic soils. Proposition of the existence of a new mineral: "fougerite" // Compt. Rend. Acad. Sci. Paris. Ser. IIA. — 1996. — No 323. — P. 1015—1022. 37. Vins J., Zapletal V., Hanousek F. Preparation and properties of green rust type substances // Coll. Czech. Chem. Com. — 1987. — 52. — P. 93—102. 38. Wolthoorn A., Temminghoff E.J.M., van Riemsdijk W.H. Colloid formation in groundwater by subsurface aeration: characterization of the geo-colloids and their counterparts // Appl. Geochem. — 2004. — 19. — P. 1391—1402. 39. Zachara J.M., Kukkadapu R.K., Fredrickson J.K., Gorby Y.A., Smith S. Biomineralization of poorly crystalline Fe(III) oxides by dissimilatory metal reducing bacteria (DMRB) // Geomicrobiol. J. — 2002. — 19. — P. 179—207. Текст

Русский