Mecanismo de acción de las bsr en los porocesos de corrosión microbiana by kinesis revista de cine

MECANISMO DE ACCIÓN DE LAS BSR EN LOS POROCESOS DE CORROSIÓN MICROBIANA Matilde F. de Romero INCORS SUPPLY matilderomero@internacionalcorroion.com Centro de Estudios de Corrosión Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia Maracaibo-Venezuela

Diferentes estudios se han realizado utilizando las técnicas electroquímicas convencionales de Polarización para establecer el mecanismo de acción de las bacterias sulfato reductoras (BSR) en el proceso de Corrosión Inducida Microbiológicamente (MIC); no obstante, un seguimiento detallado del proceso corrosivo correlacionando con el tiempo el potencial, los productos de corrosión, el crecimiento bacteriano sésil, la morfología de ataque y el pH a nivel de bioplícula no se había hecho. Es por ello que en esta investigación se estructuraron diferentes diseños experimentales, con la estandarización de diferentes procedimientos aplicados a MIC, que permitieron realizar estas correlaciones; utilizando como herramienta electroquímica principal la técnica de permeación de hidrógeno para hacerle seguimiento a la reacción catódica de evolución de hidrógeno, acoplada a diferentes técnicas electroquímicas, microbiológicas, químicas y de análisis superficial para hacerle seguimiento a la reacción anódica y a la actividad de la bacteria sobre el metal, haciendo comparaciones con medios abióticos.. Los resultados obtenidos permitieron primero descartar la teoría clásica de despolarización catódica como el principal mecanismo de acción de estas bacterias, ya que ella es capaz de crecer y reproducirse independientemente de una superficie polarizada catódicamente; debido a que el hidrógeno requerido para la reducción desasimilatoria del sulfato a sulfuro lo produce a nivel del citoplasma mediante la oxidación del lactato (Figura 1 y 2). Luego se establecer una correlación entre todas las variables de MIC a nivel de interfase metal-solución (Figura 3), para finalmente proponer el mecanismo de acción de estas bacterias en presencia de iones ferrosos en tres etapas (Figura 4).

1,E+09

1,E+11 1,E+08

Crecimiento (UFC/mL)

1,E+10 1,E+09 1,E+08 1,E+07

1,E+07

1,E+06

1,E+05

1,E+04

1,E+06

1,E+03

12 Tiempo (h)

200

400

600

800

1000

1200

1400

Tiempo (min) SPMI(A)

Figura 1. Curva de crecimiento de la bacteria D. desulfuricans sub. desulfuricans con y sin polarización catódica de una superficie de Pd. Se observa igual crecimiento independientemente de la polarización.

SPMI(D)

CPMI(A)

CPMI(B)

Figura 2. Curvas de crecimiento de la bacteria D. desulfuricans con y sin polarización catódica de una superficie de acero al carbono. Se observa igualmente crecimiento independiente de la polarización.

2CH3-CHOH-COONa + 2H2O2CH3COONa + 2CO2 + 8H0 (oxidación interna del Lactato) SO4= + 8H0  S= + 4H2O (Reducción del íon sulfato n presencia de BSR) Sum: 2CH3-C-HOH–COONa + SO4= → 2CH3-COONa+2CO2+S=+2H2O 1

Figura 3. Correlación entre crecimiento sésil, potencial en circuito abierto, permeación de hidrógeno, morfología de ataque y productos de sulfuro de hierro generados por la bacteria D. desulfuricans en un medio cargado con iones ferrosos (200 mg/l). 2

104 UFC/cm2

105

+ 2 + H + 2e 3FeS + HS-  Fe3S4 + H+ + 2e2H+ + 2e-  H2 Fe  Fe++ + 2e- (Galvánica) Fe + HS-  FeS + H+ + 2e- (Microbiana)

Transporte/ adsorción de BSR y FeS Transformación de productos por sulfidación Mayor activación del potencial hasta las 9 horas Permeación hasta las 9 horas Corrosión galvánica y microbiana

105

(b) FeS + HS-  FeS

Medio H2S  HS- + H+ Fe++ + HS-  FeS + H+

105

18 h

FORMACIÓN DE PELÍCULA O ENNOBLECIMIENTO

INICIO DE FORMACIÓN DE PELÍCULA DE SULFURO POR ADSORCIÓN Y CORROSION

(a)

15 h

12 h

ETAPA I

Fe3S4 (R)  Fe3S4 (C) Fe + HS-  FeS + H+ 2e- (Microbiana) 2H+ + 2e-  H2

21 h

105

24 h

107

106

DESPRENDIMIENTO DE PELÍCULA O PRODUCTOS/ CELDA GALVÁNICA

(d) FeS

FeS2 + H+ + 2e-  FeS + HS(Galváánica) Fe  Fe++ + 2e- (Galv HS--  FeS + H+ + 2e (Microbiana) 2e-- (Microbiana Fe + HS H2S + e-  1/2 H2 7FeS + HS-  Fe7S8 + H+ + 2e- ETAPA III

ETAPA II

Estabilización de productos/ equilibrio químico Ennoblecimiento y cubrimiento del metal a las 15 horas Disminución de la corriente de permeación a nivel base Acondicionamiento bacteriano con acidificación local Corrosión bacteriana debajo de la película

Crecimiento exponencial de las bacterias Fuerte acidificación de la interfase Reducción de la Pirita a Mackinawita Desprendimiento local de la Mackinawita Corrosión localizada severa

galvánica y bacteriana

Sin permeación por efecto del exopolímero

Mecanismo propuesto de MIC por BSR en la corrosión del hierro y el acero al carbono Figura 4. Mecanismo de acción de estas bacterias en presencia de iones ferrosos (200mg/l) en tres etapas

1ra etapa: La 1ra etapa estuvo controlada por un proceso de sulfidación bacteriana de oxidación de la Mackinawita (FeS), producida en presencia del ión HS- generado por la bacteria (H2S → HS- + H+) y los iones ferrosos disueltos en el medio, a otros compuestos de sulfuro de hierro como: Pirita (FeS2), Greigita (Fe3S4) etc; lo cual generó hidrógeno capaz de permear. Adicionalmente, la adsorción de células bacterianas y productos de sulfuro de hierro sobre la superficie metálica, activándolo inicialmente mediante la formación de micro celdas galvánicas de corrosión. Las Figuras 5 y 6 muestran claramente la diferencia entre los potenciales en circuito abierto y las corrientes de permeación obtenidos con y sin iones ferrosos, indicativos del proceso de sulfidación en presencia de iones ferrosos. 2da etapa: La 2da etapa de equilibrio bacteriano e inorgánico, estuvo controlada por un ligero ennoblecimiento del metal, en mayor o menor grado dependiendo del tipo de BSR, por la formación de una película de sulfuro de hierro compuesta principalmente de pirita, entremezclada con la membrana extracelular polimérica generado por la bacteria. 3ra etapa: La 3ra etapa controlada por un proceso corrosivo localizado severo en forma de grupos de hoyuelos, redondeados y profundos, producidos principalmente por la reducción local de la pirita (más estable y adherente) a Mackinawita (menos estable y poco adherente), debido a la acidez generada a nivel de interfase metal-solución por la disolución del H2S generado por las BSR en estas zonas de alta concentración bacteriana; lo cual fue medido mediante microelectrodos de pH con puntas de 10µm de diámetro (Figura 7). La mackinawita se desprende o agrieta en secciones; dejando el metal base activo en presencia de iones HS- y frente a un cátodo de productos de sulfuros de hierro de Mackinawita, Pirita, Esmitita, Marcasita, Greigita, Troilita y Pirrotita adheridos al metal. La Tabla 1 muestra las características de estos productos de sulfuros de hierro y de la biopelícula al final de las 24 horas de ensayo. En esta última etapa el crecimiento exponencial de las bacterias sésiles estuvo en el orden de 108 UFC/cm2, explicando el severo proceso corrosivo observado. En la última fase, de mayor agresividad, la corriente de permeación de hidrógeno disminuyó hasta la línea base; debido a que el reactante catódico, después de las 12 o 15 horas de exposición, es la pirita en lugar de los iones hidrógenos y al efecto barrera o antidifusional de la membrana extracelular polimérica o EPS. Esto último, fue confirmado realizando ensayos con H2S abiótico en las instalaciones de PDVSA INTEVEP, determinando que cuando el origen del H2S es inorgánico la corriente de permeación disminuye un poco debido a los productos de sulfuro, pero nunca hasta la línea base como lo hace cuando el origen del H2S es bacteriano (Figura 8 y 9). Igualmente, se observa que el proceso de sulfidación y la corriente de permeación es mayor cuando la corrosión sulhidrica es generado por H2S abiótico. Este mecanismo fue confirmado con muestra de cultivos mixtos aislados del agua del Lago de Maracaibo en los estudios realizados de potencial en circuito abierto, permeación de hidrógeno y mediante la morfología de ataque (Figuras 10 y 11). La determinación de las transformación de los productos de corrosión de sulfuro de hierro con el tiempo, mediante difracción de rayos X utilizando cepas puras resulto adecuado; de hecho, permitió establecer el mecanismo de acción anteriormente indicado; no obstante, los ensayos realizados en la ULA utilizando cultivos mixtos aislados de las aguas de inyección del occidente del país, no permitieron caracterizar los productos formados (Figura 12). Igualmente, la técnica “in situ” de espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier- FTIR no permitió hacerle seguimiento a la transformación con el tiempo de estos compuestos, debido al solapamiento con las bandas de agua (Figura 13).

-600

6 -650

5 4

-700

3 2

-750

1 -800

10 9

-550

Potencial (mV vs ECS)

Corriente de permeación (Ip) µA

-550

8 7

-600

6 -650

5 4 E4

-700

-750

0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

-800 0

Tiempo (min)

360

540

720

900

1080

0 1440

1260

Tiempo (Horas)

Interfase

Seno del Fluido

Figura 7. Comparación de la evolución del pH en el seno del fluido y en la Interfase. 20

Figura 6. Corriente de permeación vs. Potencial en ensayos con la D. desulfuricans en un medio de cultivo con iones ferrosos. Densidad de Corriente de Permeación (µA/cm2)

pH promedio

8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 0

180

Tiempo (min)

Figura 5. Corriente de permeación vs. Potencial en ensayos con la D. desulfuricans en un medio de cultivo sin iones ferrosos.

20 18

(a)

(b)

(c)

imáx

16 14 iss

12 10

(a)Curva desorción de Hº (b)Electrolito sin2SH (c)Electrolito con2SH

8 6

ip MHLD6(A) ip MHLD6(A')

4 2 0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Tiempo (min)

Figura 8. Curva típica de permeación obtenida para el hierro en presencia de H2S. Se observan las diferentes fases de un ensayo de permeación.

-710

1ra

-720

16 -730

14 12

-740

10 -750

8 6

ip MHLD6(A)

E MHLD6(A)

-760

Corriente de Permeación ( Ip / uA)

Potemncial vs. ECS (mV)

Densidad de Corriente de Permeación (µA/cm2)

Ip4

-770

-600

4 3 -700

2 1

-800 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001100120013001400

-780 200

400

600

800

1000

1200

-500

3ra

2 0

2da

Potencial ( E Vs ECS)

Potencial (E) mV vs ECS

-500

10 E

Corriente de permeacióm ip (µ A)

-500

Tiempo (min)

1400 Ip No 1

Tiempo (min)

Figura 9. Relación de corriente de permeación y variación de potencial en ensayos con H2S inorgánico. Se observa la rápida sulfidación induciendo un pico de permeación.

Ip No 2

E No 2

E No 1

Figura 10. Comparación entre corriente de permeación y potencial en circuito abierto para un cultivo mixto conformado por la D. desulfuricans, termitidis y vulgaris. Las dos últimas procedentes del agua de formación,

-500

-600

7 6

-700

5 4

-800

3 2

-900

Potencial (E Vs ECS/ mV)

Corriente de Permeación (Ip / uA)

1 0

-1000 0

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Tiempo (min) Ip (CM AL)

E (CM AL)

Figura 10. Comparación entre potencial en circuito abierto y permeación utilizando un cultivo mixto aislado de agua del lago.

Figura 11. Morfología de ataque producida por un cultivo mixto aislado del agua del lago.

Línea base E10: 30 min

H2 O

H2O

E20: 330 min

SO 4=

FeS? 2600

E30: 630 min EGY

E40: 930 min CO 2

E50: 1230 min E60: 1530 min E70: 1830 min 8000,0

7000

6000

5000

4000

3000

2000

150 0

1000

400,0

cm-1

Número de Onda/ cm-1

Figura 12. Difractograma de muestras expuestas a un Cultivo Mixto aislado de Agua de formación en diferentes tiempos

Figura 13. Seguimiento a las reacciones de sulfuro de hierro mediante FTIR

Tabla 1. Morfología de productos y biopelícula generada en 24 horas a diferentes magnificaciones. Mag FOTOGMICRORAFÍA Descripción

200x

Se observan claramente das zonas. Una definitivamente constituida por productos de corrosión en forma circular debido a los cúmulos bacterianos y la otra por la adsorción de compuestos de sulfuros de hierro distribuidos uniformemente en toda la superficie expuesta.

1000x

10000x

A mayor magnificación se observa la diferencia volumétrica y quebradiza entre los productos de corrosión y los compuestos adheridos de sulfuros, y la forma circular del ataque.

A una gran magnificación se pueden observar las características quebradizas de estos productos de corrosión generados localmente en forma circular. Un análisis químico elemental por EDX permitió caracterizar el depósito como se indica a continuación.

10000x

2500x

El análisis del depósito anterior refleja una mayor proporción de azufre, indicativo de la transformación de la Mackinawita a compuestos con mayor contenido de este elemento, debido al efecto bacteriano. Este producto podría ser cualquiera de los productos previamente identificados mediante EDX con mayor contenido de sulfuros (Pirita, Greigita, etc) Zona fuera del depósito donde se observa la estructura de la película formada por los productos de sulfuro de hierro adheridos al metal entrelazada aparentemente con una estructura polimérica. Un análisis general de esta zona muestra mayor contenido de hierro que de sulfuro, como se muestra a continuación.

2500x

Análisis general fuera del depósito indica menor proporción de azufre en comparación con el análisis realizado sobre el depósito, confirmando esto junto con los análisis de EDX la adsorción de FeS, mientras que el análisis de uno de los cúmulos blancos sobresaliente de la película anterior indicó una mayor proporción de azufre, tal y como se muestra a continuación. Análisis realizado sobre uno de los cúmulos que conforman la película de sulfuro de hierro, muestra un mayor contenido de azufre y la presencia de otros elementos como Na y Ca provenientes del medio de cultivo. Este resultado confirma la presencia entonces de una película conformada principalmente por Mackinawita y probablemente Pirita. Caracterización de la biopelícula formada y morfología bacteriana. Se observan estructuras celulares ya tipificadas como vibrios.

10000x

62x

Otros depósitos de productos de corrosión con morfología diferente a los anteriores; lo cual refleja, un mayor ataque en forma de conglomerados, muy probablemente asociada a una zona de mayor desarrollo bacteriano donde la película se desprendió producto de una alta actividad local de estas bacterias y de las transformaciones de la película.

500x

Interfase entre los depósitos anteriores y el resto de la película, observándose una diferencia superficial importante que muestra la mayor acumulación de hidratos en los productos de corrosión, agrietados por el alto vacío realizado por el MEB, típico del FeS como se indicó en el análisis por IR.

Análisis por EDX indica un mayor contenido de hierro, lo cual confirma la transformación que sufre la Pirita al reducirse a Mackinawita, tal y como se discutió en los análisis de difracción, generando así el ataque severo del material.