Effect of biomolecules adsorption on oxide layers developed on metallic materials used in cooling water systems

par Blanca Estela Torres Bautista

Thèse de doctorat en Chimie Physique et Chimie Analytique

Sous la direction de Isabelle Frateur et de Philippe Marcus.

Le jury était composé de Christine Dupont-Gillain, Régine Basseguy, Audrey Allion, Xochitl Dominguez-Benetton, Bernard Tribollet.

  • Titre traduit

    Effet de l'adsorption de biomolécules sur les couches d'oxydes développées sur des matériaux métalliques utilisés dans les systèmes d'eau de refroidissement


  • Résumé

    Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet européen BIOCOR ITN. Les matériaux métalliques habituellement utilisés dans les circuits de refroidissement de centrales électriques peuvent être affectés par la biocorrosion. L'objectif de ce travail était d'étudier l'influence de l'adsorption de biomolécules sur le comportement électrochimique et la composition chimique de surface de l'alliage 70Cu-30Ni, l'acier inoxydable 304L et le titane en milieu marin. Les interactions entre l'albumine de sérum bovin (BSA), et la surface de ces matériaux ont été étudiées. Ensuite, l'effet des substances polymériques extracellulaires (EPS) (étroitement liées -TB- et faiblement liées -LB- à la surface cellulaire) sur les couches d'oxydes a été évalué. Des mesures électrochimiques (Ecorr vs temps d'immersion, courbes de polarisation et EIS) ont été combinées à des analyses de surface (XPS et ToF-SIMS). En comparaison de l'alliage 70Cu-30Ni en eau de mer artificielle (ASW) statique sans biomolécules, pour lequel une couche duplex épaisse est montrée, la présence de biomolécules conduit à une couche mixte d'oxydes d'épaisseur plus faible. Un modèle est proposé pour analyser les données d'impédance obtenues à Ecorr. Un ralentissement de la réaction anodique par les biomolécules a été montré avec un effet d'inhibition de la corrosion par les LB EPS, dans une moindre mesure par la BSA et aucun effet néfaste en présence de TB EPS. L'effet des TB EPS et de la BSA sur la passivation du Ti dans ASW et de l'acier inoxydable 304L dans une solution sans chlorure a été étudié. Pour les deux matériaux, les couches d'oxydes sont plus protectrices avec la BSA et moins protectrices avec les TB EPS.


  • Résumé

    This thesis was carried out in the frame of the BIOCOR ITN European project. Metallic materials commonly used in cooling systems of power plants may be affected by biocorrosion. The objective of this work was to study the influence of biomolecules adsorption on the electrochemical behaviour and the surface chemical composition of 70Cu-30Ni alloy, 304L stainless steel and titanium in seawater environments. The interactions between a model protein, the bovine serum albumin (BSA), and the surface of these materials were investigated. After, the influence of tightly bound (TB) and loosely bound (LB) extracellular polymeric substances (EPS) on the oxide layers was evaluated. For that purpose, electrochemical measurements (Ecorr vs time, polarization curves and EIS) were combined to surface analysis (XPS and ToF-SIMS). Comparing to the 70Cu-30Ni alloy in static artificial seawater (ASW) without biomolecules, for which a thick duplex oxide layer is shown, the presence of BSA, TB EPS and LB EPS leads to a mixed oxide layer with a lower thickness. A model is proposed to analyse impedance data obtained at Ecorr. The results show a slow-down of the anodic reaction in the presence of biomolecules with a corrosion inhibition effect by LB EPS, to a lesser extent by BSA and no detrimental effect with TB EPS. On the other hand, the effect of TB EPS and BSA on the passivation behaviour of Ti in ASW and of 304L stainless steel in chloride-free solution was studied. From EIS data, resistivity profiles within oxide films can be plotted. For both materials, oxide layers are more protective with BSA and less protective with TB EPS.


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