Моделювання процесів фазоутворення на поверхні сталі при її контакті з водним середовищем за умов глибинного геологічного сховища

О. М. Лавриненко^{1, 2}, Б. Г. Шабалін²

¹ Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича
НАН України, вул. Кржижановського, 3, Київ, 03680, Україна
² ДУ «Інститут геохімії навколишнього середовища
НАН України», просп. Палладіна, 34а, Київ, 03142, Україна

DOI: doi.org/10.31717/2311-8253.21.1.5

Анотація

Експериментальним шляхом проведено моделювання процесу корозійного фазоутворення за умов, наближених до початкової та перехідної стадій еволюції глибинного геологічного сховища, зокрема водневого показника (рН) у діапазоні 9–12 та за температури 50–70 °C. Специфіка системи обертового дискового електрода дала змогу провести вивчення фазового складу продуктів корозії, які утворилися за окисних (плівка приповерхневого шару, ППШ) та, умовно, відновних умов — поверхня шару (ПШ) сталі, перекрита ППШ, що суттєво ускладнило надходження кисню в зону реакції. Установлено, що за значень pH₀ 9–11 фазовий склад продуктів корозійного процесу ідентичний і регулюється компенсаційною дією катодної напівреакції відновлення кисню на поверхні сталі. Головними фазами ПШ визначено Green Rust і магнетит або феришпінель нестехіометричного складу, яка характеризується коагуляційним типом структури та сферичною формою частинок, у той час як ППШ представлена переважно оксигідроксидами феруму — гетитом і лепідокрокітом. Підвищення pH₀ до 12 змінює хімізм корозійного процесу та веде до формування слабко окристалізованих фаз оксигідроксидів феруму. Доведено, що головною фазою, яка утворюється під час перебігу корозії сталі за температури 50–70 °C, є феришпінель, морфологія якої представлена частинками кубічної форми, що свідчить про конденсаційно-кристалізаційний механізм їхнього утворення. Наявність у системі катіонів Co(II) і Mn(II) у цілому не впливає на перебіг процесу фазоутворення та склад мінеральних фаз, водночас у присутності Mn(VII) у складі осадів переважають оксигідроксиди феруму з домішкою кисневих сполук Mn(II) і Mn(III).

Ключові слова: корозія сталі, водно-повітряне середовище, еволюція глибинного геологічного сховища, феришпінель, оксигідроксиди феруму, структури коагуляційного та конденсаційнокристалізаційного типу.

Список використаної літератури

1. Стратегія поводження з радіоактивними відходами в Україні, затверджена розпорядженням Кабінету Міністрів України № 909-р від 19.08.2009 р. — Режим доступу: zakon.rada.gov.ua/go/990–2009-р.

2. Изоляция радиоактивных отходов в недрах Украины (проблемы и возможные решения) / В. М. Шестопалов, Ю. Ф. Руденко, Э. В Соботович [и др.]. — Киев : Науч.-инж. центр радиогидроэкол. полигон. исслед. НАН Украины, 2006. — 398 c.

3. Design and production of the KBS-3 repository. Technical Report. SKB. TR-10–12. — 56 р. — Available at: www.skb.se/upload/publications/pdf/TR-10–12.pdf.

4. IAEA-TRS No. 413. Scientific and Technological Basis for the Geological Disposal of Radioactive Waste. — Vienna : IAEA, 2003. — 80 p.

5. Наказ Міністерства енергетики та вугільної промисловості України «Про затвердження Вимог до контейнерів для зберігання високоактивних радіоактивних відходів від переробки відпрацьованого ядерного палива реакторів ВВЕР-440» № 485 від 04.07.2012.

6. Development of disposal container designs for disposal of high level waste and Legacy Spent Fuel in the UK — 1547 / N. Carr, C-F. Tso, C. Izatt et al. // WMS Journal. — 2015. — Vol. 1, No. 2. — P. 1–13.

7. Жук Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов / Н. П. Жук. — [2-е изд.]. — Москва : Альянс, 2006. — 474 с.

8. Lavrynenko O. M. The spatially separated process of the formation of nanosized iron–oxygen structures on the steel surface contacting with water dispersion medium / O. M. Lavrynenko // Nano Studies. — 2015. — № 11. — Р. 177–190.

9. Safety assessment for a KBS-3H spent nuclear fuel repository at Olkiluoto — complementary evaluations of safety report. POSIVA report 2007–10. — 216 p.

10. KariIkonen. Posiva 2003–04: Thermal Analyses of Spent Nuclear Fuel Repository. — Posiva, Finland, 2003. — 67 p.

11. Лавриненко О. М. Процеси утворення дисперсних фаз у системі гальваноконтакту залізо-вуглець (кокс) у водному середовищі: дис. … канд. хім. наук: 02.00.11 / Олена Миколаївна Лавриненко. — Київ, 2002. — 220 с.

12. Lavrynenko O. M. The influence of the pH value and the cation composition of dispersion medium on the formation of iron-oxygen structures on steel surface / O. M. Lavrynenko, S. V. Netreba, V. A. Prokopenko, Ya. D. Korol // Хімія, фізика та технологія поверхні. — 2011. — Т. 2, № 1. — С. 93–100.

13. Legrand L. Study of oxidation products formed on iron in solutions containing bicarbonate/carbonate / L. Legrand, S. Savoye, A. Chausse, R. Messina // Electrochem. Acta. — 2000. — Vol. 46. — P. 111–117.

14. Christiansen B. C. Identification of Green Rust in Groundwater / B. C. Christiansen, T. Balic-Zunic, K. Dideriksen, S. L. S. Stipp // Environ. Sci. Technol. — 2009. — Vol. 43. — P. 3436–3441.

15. ASTM Powder Diffraction File / International Centre for Diffraction Data. — Swartmore, Pensilvania, USA, 1977.

16. Кинетика образования железо-кислородных фаз в системе 57Fe0 — H₂O — O₂ / О. Н. Разумов, В. А. Прокопенко, Е. Н. Лавриненко [и др.] // Сб. науч. тр. «Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии». — 2007. — Т. 5, спецвыпуск 1. — C. 217–228.

17. Щукин Е. А. Коллоидная химия / Е. А. Щукин, А. В. Перцов, Е. А. Амелина. — [3-е изд.]. — Москва : Высшая школа, 2004. — 445 с.

18. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии / Ю. Ю. Лурье. — [5-е изд.]. — Москва : Химия, 1979. — 480 с.

19. Гипергенные окислы железа в геологических процессах / Ф. В. Чухров, Л. П. Ермилова, А. И. Горшков [и др.]. — Москва : Наука, 1975. — 207 c.

20. Cornell R. M. The iron oxides: structure, properties, reactions, occurrence and uses / R. M. Cornell, U. Schwertmann. — Weinheim, Germany : Wiley-VCH, 2003. — 703 p.

Повна стаття(PDF)

---