Les réactions d'oxydoréduction de l'antimoine (V) et (III) avec la mackinawite (FeS) et du plutonium (III) et (V) avec plusieurs minéraux à fer(II) et des oxydes de fer(III) ont été étudiées dans des conditions d'anoxie. La spectroscopie d'absorption des rayons X fut utilisée pour l'analyse de l'état d'oxydation et de la structure locale du Sb et Pu associés à la phase solide. Après réaction avec la mackinawite, la chukanovite et la magnétite, PuO2, Pu(III) ou des mixtures des deux états d'oxydation ont été observé. A la surface de la magnétite un complexe tridenté du Pu(III) a pu être mis en évidence à l'aide des spectres EXAFS couplé à une simulation de Monte-Carlo utilisant le code de calcul Feff. La quantité relative de Pu(III) est fonction de l'espèce minérale, du ratio solide/liquide, des valeurs pe et pH du système et, potentiellement, de la taille de particule et de la cristallinité de la phase solide de PuO2 en présence de laquelle le Pu(III) existe. Avec la mackinawite à pH 6,2 et à une occupation de surface de 67 nmol/m2 et avec la magnétite jusqu'à pH 8.4 et 56 nmol/m2 de Pu, uniquement du Pu(III) fut trouvé associé à la phase solide. Avec la maghémite contenant du fer(II) résiduel à pH6 Pu(III) et Pu(IV) était, probablement, présents dans des complexes de surfaces similaire à celui formé par le Pu(III) sur la magnétite. Dans les conditions expérimentales (couverture de surface ≤ 77 nmol/m2), aucune formation de PuO2 ne fut observé. Après réaction avec l'hématite et la goethite Pu(IV) était l'état d'oxydation prédominant associé à la phase solide. La sorption et la réduction du Sb(V) avec la mackinawite était fortement fonction du pH. A pH acide la sorption était rapide et Sb(V) fut complètement réduit en Sb(III), formant un complexe Sb(III)-S3 probablement associé à la surface de la mackinawite. La réduction du Sb(V) était couplée à l'oxydation de la mackinawite et la greigite (Fe3S4) fut détectée par XRD. A pH basique, la sorption du Sb(V) est lente et la réduction vers le Sb(III) n'était complète qu'à des ratios de Sb/FeS très bas. Pour des valeurs plus élevé de Sb/FeS la sorption de Sb se faisait en partie par la réduction envers le complexe de Sb(III)-S3 et en partie par une co-précipitation avec le Fe(III). Il a pu être démontré que les minéraux à fer(II) peuvent effectivement contribuer à la réduction et à l'immobilisation de l'antimoine et du plutonium qui sont des contaminants environnementaux d'importance croissante. / Redox reactions of Sb(V) and Sb(III) with mackinawite (FeS) and of aqueous Pu(III) and Pu(V) with various Fe(II)-bearing minerals and Fe(III)-oxides have been investigated under anoxic conditions. X-ray absorption spectroscopy was used to analyze oxidation state and local coordination environment of Sb and Pu associated with the solid phase. After reaction with mackinawite, chukanovite and magnetite, PuO2, Pu(III) or mixtures of the two oxidation states were observed. On magnetite, a tridentate Pu(III) surface complex could be identified from EXAFS combined with Feff-Monte-Carlo simulation. The relative amount of Pu(III) depends on the type of mineral, the solid/solution ratio, the system pe and pH, and, potentially, the particle size and crystallinity of the formed PuO2 solid phase. With mackinawite at pH 6.2 and a surface loading of 67 nmol/m2 and with magnetite up to pH 8.4 and a surface loading of 56 nmol/m2, only Pu(III) was identified associated with the solid phase. With maghemite containing residual Fe(II) at pH6, Pu(III) and Pu(IV) were present in, probably, inner-sphere surface complexes similar to the one formed by Pu(III) on magnetite. Under the given conditions (surface loadings ≤ 77 nmol/m2) formation of PuO2 was not observed. After reaction with hematite and goethite, Pu(IV) was the predominant oxidation state associated with the solid phase. Sorption and reduction of Sb(V) on mackinawite were strongly pH dependent. At acidic pH, sorption was fast and Sb(V) was completely reduced to an Sb(III)-sulfide complex associated with the solid phase. Reduction of Sb(V) was coupled to oxidation of mackinawite and formation of a greigite (Fe3S4) phase could be observed by XRD. At basic pH, Sb(V) was slowly removed from solution and reduction to Sb(III) was complete only at very small Sb/FeS ratios. At higher Sb/FeS, Sb(V) removal occurred partly through reduction to solid phase associated Sb(III)-S3 and partly through co-precipitation with Fe(III). In conclusion, it could be shown that Fe(II) bearing minerals can effectively contribute to the reduction and immobilization of antimony and plutonium, two contaminants of growing environmental importance.

Pour la gestion des déchets nucléaires, il est prévu de construire un dispositif un système barrière composé en partie de conteneur en acier. La corrosion est évaluée pour que le stockage anoxique soit sûr sur le long-terme. Avec des rayonnements, la radiolyse engendre des espèces oxydantes et réductrices pouvant modifier la corrosion. Le premier axe de cette thèse concerne l'irradiation gamma d'échantillons de coupon de fer en eau désaérée et carbonatée. Il est montré que l'irradiation peut augmenter les vitesses de corrosion suivant les paramètres de dose. Les phases identifiées sont peu modifiées avec l'irradiation. La chimie des solutions montre une baisse du pH avec la dose liée au fer. Des espèces organiques sont repérées. Le deuxième axe est l'irradiation d'analogues archéologiques avec une couche de produits de corrosion ancienne. La stabilité des phases vis-à-vis de la radiolyse est vérifiée; seuls les produits néoformés changent. Le troisième axe est une approche par simulation cinétique. Il vérifie la baisse de pH sous irradiation. L'ensemble de ces résultats nous permette de proposer des données nouvelles pour la corrosion anoxique sous irradiation.

The objective of this thesis is to improve understanding of the development of corrosion products (scales) that form on the inner walls of carbon steel pipelines in CO2-rich (sweet) oilfield environments. If well adherent to the carbon steel surface, such scales can significantly reduce the metal’s rate of corrosion. Typically, the open literature labels sweet corrosion scale as ferrous (II) carbonate (FeCO3) or siderite, although this may not always be the case. For example, Fe2(OH)2CO3 (chukanovite) and Fe3O4 (magnetite) are known to modify the protective character of a sweet corrosion product scale. Practical electrochemical methods for the assessment of substrate corrosion, and electron/photon-based characterisation techniques for investigating scale structure and composition, have revealed interesting aspects of the nature of sweet corrosion scale development on model high purity Fe and real-world pipeline steel surfaces. Concerning scale development on model Fe substrates immersed in CO2-saturated deionised water (buffered to pH = 6.8, T = 80°C, Ptotal = 1 bar), electrochemical data supplemented by grazing incidence x-ray diffraction (GIXRD) and scanning electron microscopy (SEM) show that a semi-protective mixed corrosion scale comprising siderite and chukanovite becomes a highly protective siderite scale with longer exposure time. The introduction of sodium chloride to the CO2-saturated solution (T = 80°C, pH = 6.8, Ptotal = 1 bar) impedes the rate of scale formation. Increasing [NaCl] from the start of experiment is suspected to limit the precipitation kinetics of sweet corrosion scale crystals, since chukanovite is no longer observed, and siderite formation is somewhat slowed as well. SEM imaging, using an electronic workfunction-sensitive detector (in lens), reveals nanoscale deposits on the corroded Fe surface in regions that are devoid of µm-scale crystals. With the Raman spectra from these regions considered, it is interpreted that the nanoscale deposits are likely amorphous iron carbonate, albeit oxidised to a significant extent. Moving to real-world carbon steel immersion in sweet solutions, a scale comprising predominantly chukanovite is observed (using GIXRD and SEM) on the 1% Ni weld zone (WZ) surface of a pipeline weld-joint, but not on adjacent, distinct regions (heat affected zones (HAZ) and base metal (BM)). This selective scaling is suggested to be due to some initial corrosion of the weld-joint, which generates sufficient [Fe2+(aq)], and a macro-galvanic effect across the weld, i.e. WZ is cathodic to HAZ and BM. Further, to gain mechanistic insight into compositional changes during sweet corrosion scale growth, an electrochemical cell for in situ GIXRD (named E-cell) has been developed and commissioned. Diffraction patterns acquired using synchrotron radiation, from a pipeline steel surface, reveal the formation and temporal evolution of a multicomponent corrosion scale. Accompanying electrochemical data suggest that the scale is quite protective.