CA2253679A1 - Passivation des aciers inoxydables en milieu acide organosulfonique - Google Patents

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Abstract

Pour éviter la corrosion des aciers inoxydables en milieu acide organosulfonique, on ajoute au milieu au moins un oxydant choisi parmi les sels ou oxydes de cérium (IV), fer (III), molybdène (VI) ou vanadium (V), les nitrites et les pers ulfates, en une quantité suffisante pour placer le potentiel spontané entre les potentiel s de passivité et de transpassivation.

Description

CA 022~3679 1998-12-03 PASSIVATION DES ACIERS INOXYDABLES EN MILIEU
ACIDE ORGANOSULFONIQUE
DESCRIPTION

La presente invention concerne le domaine des aciers inoxydables et celui des acides organosulfoniques. Elle a plus particulièrement pour objet la protection s des aciers inoxydables contre la corrosion par les acides organosulfoniques tels que l'acide méthanesulfonique.
L'acide méthanesulfonique (AMS) est un acide fort qui a trouvé de nombreu-ses applications, notamment en catalyse et en traitement de surfaces (galvanoplastie, décapage, détartrage, ...). Cependant, les solutions aqueuse d'AMS
attaquent les aciers inoxydables; les vitesses de corrosion dépendent à la fois de la concentration en AMS, de la température et de la nature de l'acier inoxydable. Ainsi, à température ambiante, I'acier inoxydable du type 304L est corrodable à des concentrations d'AMS supérieures à 10-2 mole/litre. Il est évident que cela limite de manière drastique les domaines d'utilisation de l'AMS.
s Pour protéger les aciers inoxydables contre la corrosion par des acides sulfoniques (en particulier l'acide p-toluènesulfonique et l'acide polystyrènesulfoni-que), il a été proposé dans la demande de brevet JP 07-278854 d'ajouter à ces acides un sel de cuivre. Ce document vise plus particulièrement la protection des appareils en acier inoxydable (types 304 et 316) utilisés dans les ateliers de synthèse d'alcools à partir d'oléfines et d'eau en présence d'un acide organosulfoni-que comme catalyseur. Le domaine de température exemplifié dans ce document va de la température ambiante jusqu'à environ 100~C.
Dans l'article intitulé "Corrosion of stainless steel during acetate production"paru en juillet 1996 dans la revue Corrosion Engineering vol.2, n~7, page 558, J.S.
Qi et J.C. Lester indiquent que l'utilisation de sulfate de cuivre lors de l'estérification en présence d'acide sulfurique ou d'acide p-toluènesulfonique permet de réduire considérablement la corrosion des aciers inox 304L et 316L.
Cependant, les tests statiques effectués sur des compositions d'AMS et de sels de cuivre (Il) à des températures comprises entre 100 et 150~C montrent qu'à la surface des matériaux testés (AISI 304L et 316L) il se forme une fine couche de ~cuivre métallique peu adhérente. Lors de la mise en oeuvre industrielle de cette méthode, il a en effet été constaté une sédimentation, en fond de réacteur, de parti-cules de cuivre métal susceptibles d'endommager gravement les pompes de recy-clage ou de nuire à la qualité du produit fabriqué. Une étape supplémentaire de filtration est alors nécessaire pour éliminer ces particules de cuivre provenant de la pellicule déposée sur les parois du réacteur. En fait, lors de changements de condi-tions opératoires (par exemple, température, pression, vitesse d'agitation), cette pellicule protectrice se détache très facilement.

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-2-ll a maintenant été trouvé que l'on peut efficacement protéger, dans une large gamme de température, les aciers inoxydables contre la corrosion par les aci-des organosulfoniques et, en particulier, par l'AMS en ajoutant au milieu un oxydant choisi parmi les sels ou oxydes de cérium (IV), de fer (Ill), de molybdène (Vl) ou de vanadium (V), les nitrites et les persulfates.
L'invention a donc pour objet un procédé pour protéger les aciers inoxyda-bles contre la corrosion par un acide organosulfonique, caractérisé en ce que l'on ajoute à la solution aqueuse d'acide organosulfonique au moins un oxydant choisiparmi les sels ou oxydes de cérium (IV), de fer (Ill), de molybdène (Vl) ou de vana-o dium (V), les nitrites et les persulfates.
L'invention a également pour objet une solution aqueuse d'acide organosul-fonique contenant au moins un oxydant choisi parmi les sels ou oxydes de cérium (IV), de fer (Ill), de molybdène (Vl) ou de vanadium (V), les nitrites et les persulfates en une quantité suffisante pour que son potentiel spontané, mesuré au moyen d'une 15 électrode en acier inoxydable, se situe dans la zone de passivité déterminée dans les mêmes conditions en l'absence de l'oxydant.
Les aciers inoxydables sont des matériaux passivables. Physiquement, la passivité est due à la formation d'une couche d'oxydes à la surface du métal. Lapassivité est finalement conférée à l'alliage par le développement d'une couche 20 adhérente et relativement peu épaisse, mais de très faible perméabilité ionique. Le transfert des cations du métal vers la solution peut être considéré comme très ralenti et, dans certains cas, pratiquement négligeable. En fait, le phénomène de passivité
doit être considéré comme un état d'équilibre dynamique.
La vitesse de dissolution (v) d'un acier inoxydable immergé dans un milieu 25 tel qu'une solution aqueuse d'AMS 1M dépend du potentiel électrochimique imposé
E. La courbe v = f(E) présente une allure typique qui, comme montré sur la figure unique annexée, comprend essentiellement trois parties, à savoir:
- une zone "d'activité" 1 correspondant à la dissolution anodique du métal (oxydation), - une zone de "passivité" 2 située entre un potentiel de passivation (Ep) et un potentiel de transpassivation (Etp), - une zone de "transpassivité" 3 où le métal redevient actif par oxydation du film passif en une substance soluble (dissolution du Cr203 en CrO42~).
Au potentiel de passivité Ep, la vitesse de corrosion est tombée brusque-35 ment à une valeur très faible. Dans la zone 2, la vitesse de dissolution très faible cor-respond alors à un domaine de résistance à la corrosion. La mesure du potentiel spontané et sa comparaison avec Ep et Etp permet de déterminer instantanément sil'acier inoxydable se corrode ou non.

.

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- 3 -Pourvu qu'il soit soluble dans l'acide organosulfonique ou dans la solution aqueuse d'acide organosulfonique, la nature de l'oxydant choisi n'est pas critique et on peut donc utiliser tout sel ou oxyde soluble de cérium (IV), de fer (Ill), de molyb-dène (Vl) ou de vanadium (V), ainsi que tout nitrite ou persulfate soluble.
Sont plus particulièrement préférés:
- les nitrites alcalins, d'ammonium ou de cuivre et, plus spécialement, le nitrite de sodium, - les sels doubles d'ammonium et de cérium (IV) tels que le nitrate ou le sulfate d'ammonium et de cérium.
o Comme exemples non limitatifs d'autres oxydants selon l'invention, on peut également mentionner le sulfate de fer (Ill), le chlorure ferrique, le nitrate ferrique, le perchlorate ferrique, I'oxyde ferrique, le molybdate de sodium, le molybdate d'am-monium tétrahydraté, I'oxyde de molybdène, le métavanadate de sodium, I'oxytri-chlorure de vanadium, le pentoxyde de vanadium, le persulfate de sodium et le 15 persulfate d'ammonium.
La quantité d'oxydant selon l'invention à utiliser peut varier dans de larges limites; elle dépend, entre autres, de la nature de l'oxydant et de la concentration en acide organosulfonique. Lorsqu'on utilise un sel cérique, la concentration en ions Ce4+ est généralement comprise entre 1.10-5 et 1.10-1 mole/litre; elle est, de préfé-20 rence, comprise entre 1.10-4 et 5.10-2 mole/litre.
Lorsqu'on utilise un nitrite ou un autre oxydant, la quantité utilisée est géné-ralement comprise entre 1.104 et 1 mole/litre; elle est de préférence comprise entre 0,001 et 0,5 mole/litre.
Un mode particulièrement avantageux de mise en oeuvre du procédé selon 25 I'invention consiste à associer un sel de molybdène (Vl), de préférence le molybdate de sodium, et un sel de cérium (IV), de préférence un sel double d'ammonium et de cérium (IV). La quantité de chaque sel à utiliser peut varier dans de larges limites, mais elle est de préférence comprise entre 1.10-3 et 2.10-2 mole/litre et, plus parti-culièrement, entre 5.10-3 et 1.1 o-2 mole/litre.
Bien que le procédé selon l'invention vise plus spécialement la protection des aciers inoxydables courants (types AISI 304L et 316L), il peut s'appliquer géné-ralement à tout acier inoxydable tel que défini dans la norme NF EN 10088-1.
L'invention concerne plus particulièrement l'acide méthanesulfonique (AMS).
Le procédé de protection selon l'invention peut néanmoins s'appliquer à d'autres35 acides alcanesulfoniques, par exemple l'acide éthanesulfonique, ou à des acides sulfoniques aromatiques tels que l'acide p-toluènesulfonique (APTS).
Dans les exemples suivants qui illustrent l'invention sans la limiter, les essais électrochimiques et statiques ont été réalisés en opérant comme suit.

CA 022~3679 1998-12-03
-4-1. Essais electrochimiques L'essai consiste à plonger une électrode fabriquée à partir du matériau étudié dans la solution à tester et à vérifier que son potentiel spontané, en régime stabilisé, se trouve effectivement dans le domaine de la passivation. Avant le test, on
5 réalise une polarisation dans le domaine cathodique pendant 30 secondes.
La cellule d'électrolyse est constituée d'un récipient pouvant contenir 80 ml de la solution à tester et permet un montage de trois électrodes: une électrode de référence (Ag/Ag Cl du type Thermag-Tacussel), une électrode auxiliaire (platine) et une électrode de travail (acier inoxydable étudié).
o 2. Essais statiques Ces essais permettent, d'une part, de vérifier la passivité des matériaux et, d'autre part, de calculer la vitesse de corrosion.
L'étude de la corrosion par perte de masse est réalisée à partir de plaquettes métalliques découpées à l'aide d'une tronçonneuse à disque lubrifié. La 15 surface de ces coupons de dimensions approximatives: 25x50x2 mm est calculée avec précision. Ces coupons métalliques sont percés d'un trou de 6,5 mm de diamè-tre permettant de les fixer sur un porte-échantillon en Téflon.
Avant leur immersion dans la solution d'AMS à tester, les coupons sont dégraissés à l'acétone, décapés dans une solution aqueuse à 15 % d'acide nitrique 20 et 4,2 % de fluorure de sodium, rincés à l'eau déminéralisée, puis à l'acétone, séchés à l'air comprimé déshuilé et pesés.
Après immersion pendant 8 ou 30 jours dans la solution d'AMS à tester, les coupons sont lavés à l'eau déminéralisée puis à l'acétone, pesés, débarrassés des éventuels dépôts (produits de corrosion) par nettoyage mécanique et pesés à
25 nouveau.
La perte de masse, exprimée en g/m2.j, permet de calculer la vitesse de corrosion exprimée en mm/an.

L'outil électrochimique étant particulièrement bien adapté à la vérification desétats passifs des aciers inoxydables, des tests électrochimiques ont été effectués à
45 et 90~C pour une concentration en AMS de 2,08 M et pour deux nuances d'acier inoxydable (AISI 304L et 316L) préalablement soumises à un traitement thermique d'hypertrempe selon la norme NF A35-574. Les bains corrosifs étaient constitues de 35 solutions aqueuses d'AMS à 2,08 moles/litre contenant des quantités variables de nitrite de sodium ou de nitrate double d'ammonium et de cérium (IV).
Les résultats obtenus sont rassemblés dans les tableaux I et ll suivants qui indiquent en mV les potentiels (E) de passivation, spontané et de transpassivation - CA 022~3679 1998-12-03 TABLEAU I
Essais électrochimiques dans AMS 2,08 M pour l'acier inox 316L

Température 45~C ¦ 90~C 45~C ¦ 90~C
Additif et sa NaNO2 (NH4)2 Ce(N~8)6 concentration (mole/litre) 0,05 0,08 0,005 0,01 E passivation -100 255 25 0 E spontané 540 615 1000 420 E transpassivation 1100 690 1100 750 TABLEAU ll Essais électrochimiques dans AMS 2,08 M pour l'acier inox 304L

Température 45~C ¦ 90~C 45~C ¦ 90~C
Additif et sa NaNO2 (NH4)2 Ce(N~8)6 concentration (mole/litre) 0,05 0,3 0,01 0,0175 E passivation -100 -45 0 20 E spontané 600 400 1000 470 Etranspassivation 1100 950 1150 950 Le potentiel spontané est toujours situé entre les potentiels de passivation et o de transpassivation. Les risques de corrosion généralisée sont donc négligeables.

Pour étendre les résultats de l'exemple 1, des essais statiques ont été effec-tués à 150~C. Les résultats sont regroupés dans le tableau lll suivant.

-
- 6 -TABLEAU lll Essais statiques à 1 50~C dans AMS 2,08 M

AcierAdditif et sa concentration Perte de Vitesse de inoxydable(molellitre) masse (g/m2j) corrosion (mm/an) 316 L N~ant - > 500 > 23 NaNO2 0,16 0,29 0,013 (NH4)2 Ce(N~3)6 0,01 3,15 0,14 304 L N~ant - > 500 > 23 NaN02 0,3 0,27 0,013 (NH4)2 Ce(N~3)60,0175 0,49 0,022 En opérant comme à l'exemple 1, on a étudié l'effet protecteur d'autres espèces pour l'acier inoxydable 316L. Ces essais et leurs résultats sont rassemblés dans le tableau IV suivant.
o TABLEAU IV
Additif et concentrationFe2(S~4)3 Na2M~~4 NaVO3 (NH4)2S2O8 (mole/litre) 0,1 0,15 0,1 0,1 Température (~C) 45 90 90 90 E passivation 0 373 0 331 E spontané 678 400 905 610 E transpassivation 1000 985 990 995 A partir d'une solution aqueuse à 70 % d'AMS et d'une solution aqueuse à
s 65 % d'APTS, on a préparé trois solutions aqueuses S1, S2 et S3 ayant la composi-tion massique suivante:

SOLUTIONTENEU~ (% massiq ~e) en:
AMS APTS Eau S1 24,5 9,75 65,75 S2 49 19,5 31,5 S3 0,5 0,2 99,3 - CA 022~3679 1998-12-03
- 7 -Deux oxydants:
- Ox. 1 = nitrate double d'ammonium et de cérium (IV) - Ox. 2 = molybdate de sodium ont été conjointement utilisés en proportions variables (5 à 10 millimoles/litres) pour passiver a différentes températures (45, 90 et 150~C) les aciers inoxydables 304L et 316L dans les solutions S1, S2 et S3.
En opérant comme dans les exemples précédents, on a mesuré les poten-tiels de passivation, le potentiel spontané et le potentiel de transpassivation. Les résultats obtenus sont résumés dans les tableaux V et Vl suivants; ils montrent que o le potentiel spontané est toujours situé entre les potentiels de passivation et de transpassivation. Les risques de corrosion généralisée sont donc négligeables.

TABLEAU V
Acier Inox 304L

Temp. Solution Teneur 'mmol/l) Potentiels (mV' de:
(~C) Ox.1 Ox.2passiva- spontané transpas-tion sivation " " 5 10 -50 220 1020 " S3 5 5 0 900 1400 " " 10 10 300 380 1020 " S3 10 5 -100 848 900 " " 5 10 0 300 800 " " 5 10 300 760 1120 " " 5 10 80 325 1020 " S3 5 5 80 740 1020 CA 022~3679 1998-12-03 . .

TABLEAU Vl Acier Inox 316L

Temp. Solution Teneur 'mmol/l) Potentiels (mV' de:
(~C) Ox.1 Ox.2passiva- spontané transpas-tion sivation " " 5 10 -80 450 1020 " S3 5 5 100 325 1200 " " 10 10 300 494 1020 " " 5 10 60 710 1200 " S3 10 5 -100 750 1080 " " 5 10 80 130 1020 On a effectué des essais statiques de corrosion à 45~C (durée: 8 jours) dans des solutions aqueuses d'AMS plus ou moins diluées.
Ces solutions ont été préparées par addition d'eau à une solution initiale à
70 % en poids d'AMS contenant 5 mmoles/litre de nitrate double d'ammonium et de cérium (IV) et 5 mmoles/litre de molybdate de sodium.
A titre comparatif, des essais statiques ont été effectuées en parallèle sur des solutions aqueuses d'AMS non additivées.
Dans les tableaux Vll et Vlll suivants qui résument les résultats obtenus, le chiffre de la colonne "dilution" indique la proportion (% en volume) d'AMS 70 % dans la solution aqueuse testée.

TABLEAU Vll Acier Inox 304L

DILUTION VITESSE DE CORROSION (~Im/an) AMS non additivé AMS additivé
1 <5 '5 465 '5 331 '5 541 '5 398 '5 TABLEAU Vlll Acier Inox 316L

DILUTION VITESSE DE CORROSION (,um/an) AMS non additivé AMS additivé
1 <5 '5 '5 157 '5 190 '5 160 <5

Claims (12)

1. Procédé pour protéger un acier inoxydable contre la corrosion par un acide organosulfonique, caractérisé en ce que l'on ajoute à la solution aqueuse dudit acide une quantité suffisante d'au moins un oxydant choisi parmi les sels ou oxydes de cérium (IV), de fer (III), de molybdène (VI) ou de vanadium (V), les nitrites et les persulfates.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on utilise un nitrite alcalin, de préférence le nitrite de sodium.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la quantité de nitrite est comprise entre 1.104 et 1 mole/litre, de préférence entre 0,001 et 0,5 mole/litre.
4. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on utilise le cérium (IV) sous forme de sel double d'ammonium et de cérium (IV), de préférence le nitrate ou lesulfate d'ammonium et de cérium.
5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel la concentration en ions Ce4+ est comprise entre 1.10-5 et 1.10-1 mole/litre, de préférence entre 1.104 et 5.10-2 mole/litre.
6. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on associe un sel de molybdène (VI), de préférence le molybdate de sodium, et un sel de cérium (IV), de préférence un sel double d'ammonium et de cérium (IV).
7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel chaque sel est utilisé en une quantité comprise entre 1.10-3 et 2.10-2 mole/litre, plus particulièrement entre 5.10-3 et 1.10-2 mole/litre.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'acide organosulfonique est l'acide méthanesulfonique.
9. Solution aqueuse d'acide organosulfonique contenant au moins un oxydant choisi parmi les sels ou oxydes de cérium (IV), de fer (III), de molybdène (VI) ou de vanadium (V), les nitrites et les persulfates en une quantité suffisante pour que son potentiel spontané, mesuré au moyen d'une électrode en acier inoxydable, se situe dans la zone de passivité déterminée dans les mêmes conditions en l'absence dudit oxydant.
10. Solution aqueuse selon la revendication 9 dans laquelle l'oxydant est un nitrite alcalin, de préférence le nitrite de sodium, ou un sel double d'ammonium et de cérium (IV), de préférence le nitrate ou le sulfate d'ammonium et de cérium.
11. Solution aqueuse selon la revendication 9 contenant un sel de molybdène (VI), de préférence le molybdate de sodium, et un sel de cérium (IV), de préférence un sel double d'ammonium et de cérium (IV).
12. Solution aqueuse selon l'une des revendications 9 à 11 dans laquelle l'acide organosulfonique est l'acide méthanesulfonique.
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