1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Электрохимия
  4. T. 59, № 7, 2023

Электрохимия, 2023, T. 59, № 7, стр. 404-416

Коррозия низкоуглеродистой стали в потоке раствора фосфорной кислоты, содержащего фосфат железа(III)

Я. Г. Авдеев a, *, А. В. Панова a, Т. Э. Андреева a

a Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Москва, Россия

* E-mail: avdeevavdeev@mail.ru

Поступила в редакцию 01.09.2022
После доработки 14.12.2022
Принята к публикации 18.12.2022

Аннотация

Рассмотрены теоретические аспекты коррозии низкоуглеродистой стали в растворах H3PO4, содержащих FePO4. В исследуемой системе термодинамически разрешены реакции железа с раствором кислоты и солью Fe(III). Окислительная способность этой среды, характеризуемая редокс-потенциалом пары Fe(III)/Fe(II), во многом определяется ее анионным составом. Фосфат-анионы коррозионной среды связывают катионы Fe(III) в комплексные соединения, снижая их окислительную способность. В растворах H3PO4, содержащих FePO4 и Fe3(PO4)2, зависимость редокс-потенциала системы от относительного содержания катионов Fe(III) и Fe(II) плохо описывается уравнением Нернста, что обусловлено неэквивалентным комплексообразованием этих катионов с фосфат-анионами. Анализ влияния конвекции исследуемых сред на электродные реакции низкоуглеродистой стали позволил выявить некоторые их особенности. В растворе H3PO4, содержащей FePO4, на стали реализуются контролируемые кинетикой парциальные реакции анодной ионизации железа и катодного восстановления H+, а также определяемое диффузией катодное восстановление катионов Fe(III). Ускоряющее действие FePO4 на коррозию стали в растворе H3PO4 обусловлено только восстановлением Fe(III), но не влияет на восстановление H+ и ионизацию железа. Экспериментально определено значение коэффициента диффузии катионов Fe(III) в исследуемой коррозионной среде как из данных циклической вольтамерометрии Pt-электрода, так и результатов исследования катодной реакции стального дискового электрода при разной частоте его вращения. Данные по скорости коррозии низкоуглеродистой стали в потоке исследуемых сред, полученные по массопотере металлических образцов, находятся в полном соответствии с результатами исследования парциальных электродных реакций. Наблюдается ускоряющее действие FePO4 на коррозию стали в растворах H3PO4. В этих средах коррозия стали определяется конвективным фактором, что характерно для процессов с диффузионным контролем. Эмпирическая зависимость скорости коррозии стали от интенсивности потока среды описывается линейной зависимостью k = kst + λw1/2, где kst − скорость коррозии в статической среде, w − частота вращения пропеллерной мешалки, λ − эмпирический коэффициент.

Ключевые слова: конвекция, диффузионная кинетика, коэффициент диффузии, кислотная коррозия, низкоуглеродистая сталь, фосфорная кислота, фосфат железа(III)

Список литературы

  1. Кузин, А.В., Горичев, И.Г., Шелонцев, В.А., Кузьменко, А.Н., Плахотная, О.Н., Овсянникова, Л.В. Роль комплексообразования при растворении оксидов железа в ортофосфорной кислоте. Вестн. Москов. ун-та. Сер. 2. Химия. 2021. Т. 62. № 6. С. 515. [Kuzin, A.V., Gorichev, I.G., Shelontsev, V.A., Kuzmenko, A.N., Plakhotnaia, O.N., and Ovsyannikova, L.V., The Role of a Complex Formation in the Dissolution of Iron Oxides in Orthophosphoric Acid, Moscow Univ. Chem. Bull., 2021, vol. 76, no. 6, p. 398.] https://doi.org/10.3103/S0027131421060055

  2. Продан, И.Е., Ещенко, Л.С., Печковский, В.В. Изучение кристаллизации фосфатов железа в системе железо(III)–фосфорная кислота–вода. Журн. неорган. химии. 1989. Т. 34. № 7. С. 1860. [Prodan, I.E., Yeshchenko, L.S., and Pechkovsky, V.V., Study of the crystallization of iron phosphates in the system iron(III)–phosphoric acid–water, Russ. J. Inorg. Chem., (in Russian), 1989, vol. 34, no. 7, p. 1860.]

  3. Barthel, J. and Deiss, R., The limits of the Pourbaix diagram in the interpretation of the kinetics of corrosion and cathodic protection of underground pipelines, Mater. and Corros., 2021, vol. 72, no. 3, p. 434. https://doi.org/10.1002/maco.202011977

  4. Huang, H.-H., The Eh-pH Diagram and Its Advances, Metals, 2016, vol. 6, no. 1, p. 23. https://doi.org/10.3390/met6010023

  5. Perry, S.C., Gateman, S.M., Stephens, L.I., Lacasse, R., Schulz, R., and Mauzeroll, J., Pourbaix Diagrams as a Simple Route to First Principles Corrosion Simulation, J. Electrochem. Soc., 2019, vol. 166, no. 11, p. C3186. https://doi.org/10.1149/2.0111911jes

  6. Pourbaix, M., Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions, Second English Edition, Houston: National Association of Corrosion Engineers, 1974, p. 307–321.

  7. Wermink, W.N. and Versteeg, G.F., The Oxidation of Fe(II) in Acidic Sulfate Solutions with Air at Elevated Pressures. Part 1. Kinetics above 1 M H2SO4, Ind. Eng. Chem. Res., 2017, vol. 56, no. 14, p. 3775. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.6b04606

  8. Wermink, W.N. and Versteeg, G.F., The Oxidation of Fe(II) in Acidic Sulfate Solutions with Air at Elevated Pressures. Part 2. Influence of H2SO4 and Fe(III), Ind. Eng. Chem. Res., 2017, vol. 56, no. 14, p. 3789. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.6b04641

  9. Захаров, В.А., Сонгина, О.А., Бектурова, Г.Б. Реальные потенциалы окислительно-восстановительных систем (Обзор). Журн. аналит. химии. 1976. Т. 31. № 11. С. 2212. [Zakharov, V.A., Songina, O.A., and Bekturova, G.B., Real potentials of oxidation–reduction systems (Overview), J. Analyt. Chem., (in Russian), 1976, vol. 31, no. 11, p. 2212.]

  10. Кеше, Г. Коррозия металлов. Физико-химические принципы и актуальные проблемы. / Пер. с нем. под. ред. акад. Я.М. Колотыркина. М.: Металлургия, 1984. 400 с. [Kaesche, H., Die Korrosion der Metalle. Physikalischchemische Prinzipien und Aktuelle Probleme (in German), Berlin, Springer, 1979.]

  11. Антропов, Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высш. школа, 1965. С. 348–380. [Antropov, L.I. Theoretical Electrochemistry (in Russian), Moscow, Vyssh. Shkola, 1965, p. 348–380.]

  12. Bockris, J.O’M., Drazic, D., and Despic, A.R., The electrode kinetics of the deposition and dissolution of iron, Electrochim. Acta, 1961, vol. 4, no. 2–4, p. 325. https://doi.org/10.1016/0013-4686(61)80026-1

  13. Катревич, А.Н., Флорианович, Г.М., Колотыркин, Я.М. Выяснение кинетических параметров реакции активного растворения железа в растворах фосфатов. Защита металлов. 1974. Т. 10. № 4. С. 369. [Katrevich, A.N., Florianovich, G.M., and Kolotyrkin, Ya.M., Elucidation of the kinetic parameters of the reaction of active dissolution of iron in phosphate solutions, Prot. Met., (in Russian), 1974, vol. 10, no. 4, p. 369.]

  14. Решетников, С.М., Макарова, Л.Л. Кинетика и механизм катодных и анодных процессов, определяющих кислотную коррозию металлов в области активного растворения. Окислительно-восстановительные и адсорбционные процессы на поверхности твердых металлов. Межвуз. сб. Ижевск: Удмурт. гос. ун-т, 1979. С. 25–49. [Reshetnikov, S.M. and Makarova, L.L., Kinetics and mechanism of cathodic and anodic processes that determine acid corrosion of metals in the area of active dissolution, Redox and adsorption processes on the surface of solid metals (in Russian), Udmurt State University, Izhevsk, 1979, p. 25–49.]

  15. Авдеев, Я.Г., Андреева, Т.Э. Особенности механизма коррозии низкоуглеродистых сталей в растворах кислот, содержащих соли Fe(III). Журн. физ. химии. 2021. Т. 95. № 6. С. 875. [Avdeev, Ya.G. and Andreeva, T.E. Characteristics of the Mechanism of Corrosion of Low-Carbon Steels in Acid Solutions Containing Fe(III) Salts, Russ. J. Phys. Chem. A., 2021, vol. 95, no. 6, p. 1128.] https://doi.org/10.1134/S003602442106002910.1134/S0036024421060029https://doi.org/10.31857/S0044453721060029

  16. Авдеев, Я.Г., Андреева, Т.Э. Особенности механизма коррозии сталей в ингибированных растворах кислот, содержащих соли железа(III). Журн. физ. химии. 2022. Т. 96. № 2. С. 281. DOI [Avdeev, Ya.G. and Andreeva, T.E., Mechanism of Steel Corrosion in Inhibited Acid Solutions Containing Iron(III) Salts, Russ. J. Phys. Chem. A., 2022, vol. 96, no. 2, p. 423.] https://doi.org/10.1134/S003602442202003010.1134/S0036024422020030https://doi.org/10.31857/S0044453722020030

  17. Avdeev, Ya.G., Andreeva, T.E., Panova, A.V., and Kuznetsov, Yu.I., Effect of anionic composition of solutions of mineral acids containing Fe(III) on their oxidizing properties, Int. J. Corros. Scale Inhib., 2019, vol. 8, no. 1, p. 139. https://doi.org/10.17675/2305-6894-2019-8-1-12

  18. Лурье, Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1971. С. 255–265. [Lurie, Yu.Yu., Spravochnik po analiticheskoy khimii (Handbook of Analytical Chemistry) (in Russian), Moscow, Khimiya, 1971, p. 255–265.]

  19. Kim, M.S., Kim, C.H., and Sohn, Y.S., Complex Formation Between Ferric Ion and Phosphoric Acid, J. Korean Chem. Soc., 1975, vol. 19, no. 5, p. 325.

  20. Филатова, Н.Л., Вендило, А.Г., Санду, Р.А. Исследование химических форм железа(III) в растворах ортофосфорной кислоты методом электронной адсорбционной спектроскопии. Журн. неорган. химии. 2012. Т. 57. № 9. С. 1355. [Filatova, L.N., Vendilo, A.G., and Sandu, R.A., Chemical Forms of Iron(III) in Solutions of Orthophosphoric Acid as Probed by Electronic Absorption Spectroscopy, Russ. J. Inorg. Chem., 2012, vol. 57, no. 9, p. 1272.] https://doi.org/10.1134/S0036023612090057

  21. Плэмбек, Дж. Электрохимические методы анализа. Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 496 с. [Plambeck, J.A. Electroanalytical Chemistry: Basic Principles and Applications, N.Y., Wiley, 1982.]

  22. Belqat, B., Laghzizil, A., Elkacimi, K., Bouhaouss, A., and Belcadi, S., Fluoride effect on the electrochemical behaviour of the Fe(III)/Fe(II) system in H3PO4 + + H2O + HF, J. Fluorine Chem., 2000, vol. 105, p. 1. https://doi.org/10.1016/S0022-1139(00)00256-6

  23. Плесков, Ю.В., Филиновский, В.Ю. Вращающийся дисковый электрод. М: Наука, 1972. 344 с. [Pleskov, Yu.V. and Filinovskii, V.Yu., The Rotating Disk Electrode, Consultants Bureau, N.Y., 1976.]

  24. Du, C., Tan, Q., Yin, G., and Zhang, J., Rotating Disk Electrode Method, In Rotating Electrode Methods and Oxygen Reduction Electrocatalysts, Eds. W. Xing, G. Yin, J. Zhang, Elsevier B.V. All rights reserved, 2014, p. 171–198. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63278-4.00005-7

  25. Jia, Z., Yin, G., and Zhang, J., Rotating Ring-Disk Electrode Method, In Rotating Electrode Methods and Oxygen Reduction Electrocatalysts, Eds. W. Xing, G. Yin, J. Zhang, Elsevier B.V. All rights reserved, 2014, p. 199–229. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63278-4.00006-9

  26. Xing, W., Yin, M., Lv, Q., Hu, Y., Liu, C., and Zhang, J., Oxygen solubility, diffusion coefficient, and solution viscosity, In Rotating Electrode Methods and Oxygen Reduction Electrocatalysts, Eds. W. Xing, G. Yin, J. Zhang, Elsevier B.V. All rights reserved, 2014, p. 1–31. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63278-4.00001-X

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Электрохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал