DE LA CORROSION BACTÉRIENNE …. AUX PILES À COMBUSTIBLE MICROBIENNES Damien Féron (CEA/DANS/DEN/DPC/SCCME & LAMBE) & Alain Bergel (CNRS/LGC-Toulouse) Journées d’Electrochimie 2017 26-29 juin 2017, Bordeaux CEA | 8 janvier 2014 | PAGE 1 SOMMAIRE Corrosion & biocorrosion Phénomène électrochimique Biocorrosion & réactions cathodiques Les piles à combustible microbiennes Principes Biocathodes Bioanodes Commentaires conclusifs Des bactériopiles à la bioprotection cathodique Biofilms électroactifs stables CEA | 29 juin 2017 I PAGE 2
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DE LA CORROSION BACTÉRIENNE …. AUX PILES À COMBUSTIBLE ... · => Protection cathodique Cathode Anode Corrosion & biocorrosion – Piles à combustible bactériennes – Commentaires
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DE LA CORROSION BACTÉRIENNE …. AUX PILES À COMBUSTIBLE MICROBIENNES
Des bactériopiles à la bioprotection cathodiqueBiofilms électroactifs stables
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Corrosion : un phénomène électrochimique« la corrosion électrochimique implique au moins une réaction
anodique et une réaction cathodique » (ISO 8044, 2010)
La corrosion bactérienne est liée à un accroissement de la réaction cathodique- En eaux naturelles aérées (eaux de mer, de rivières…) (Mollica, 1976 - Dupont & al., Int. Biodete
& Biodegra. J., 1998, 41, 13-18)- En environnements désaérés et en presence de bactéries sulfato-réductrices (Da Silva & al.,
Évolution du potentiel libre de corrosionde plaques d’acier inoxydable 654SMOdans 5 stations marines.[MAST II, Marine biofilms on stainless steels : effects, monitoring and prévention. Final report,. 1996]
EAU DE MER
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0 20 40 60 80
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En eaux naturelles aérées, le potentiel libre de corrosion des aciers inoxydable augmente, cette augmentation est liée à la formation du biofilm
Évolution du potentiel libre de corrosiond’échantillons en acier 316L immergésdans la Seine (C. Marconnet & al., Caen, 26-27 mai 2005)
A. Bergel & al., Electrochemistry Communications 7 (2005) 900_904
21 JUIN 2017
Plusieurs mécanismes sont proposés pour expliquer l’augmentation de la réaction cathodique (synergie plus qu’opposition) : - via des enzymes intra ou extra cellulaires (1 & 2), - en deux étapes avec des produits chimiques intermédiaires,- transfert direct d’électron (6)
From B. Erable & al., Chemsuschem, 2012, 5, 6, 975-987
«Figure 1. A typical biological fuel cell representing current generation with the help of microorganisms. The fuel generated by microbial metabolism gets oxidized at the anode and usually oxygen is reduced at the cathode. »(from CURRENT SCIENCE, VOL. 87, NO. 4, 25 AUGUST 2004, review article by A. K. Shukla & al.)”
La notion de “biofuel cell’” est assez large et conduit à quelques confusions. Historiquement elle est relative à la biocatalyse de la réaction anodique.Cf « biological fuel cells: divergence of opinion », Bioelectrochemistry, 106 (2015) 1-2,
K.Rabaey,W.Verstraete, Université de Ghent, Trends in Biotechnology, 2005, volume 23, pages 291-298
From A. Cournet & Al., Electrochem. Com., 12 (2010) 505-508
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Voltammétries cycliques à 100 mV.s-1 de Escherichia coli K12 sur carbone vitreux
S. Parot et al., Bioresource Technology 102 (2011) 304-311
Biocathodes-un grand nombre de bactéries catalysent la réduction de l’oxygène- Mais à des densités de courant faibles pour les piles à combustible, rarement plus de quelques A/m2
Deux systèmes redox différents pour les biocathodes de réduction de O2
Electrode en tissu de carbone inoculé par du terreau de jardin. Voltammétries cycliques à 1 mV.s-1 après 21 jours de polarisation à -0,20 V/ECS.
après 21 jours d’aération forcée
après 21 jours sans agitation+ un jour d’aération forcée
L’agitation produite par l’aération forcée fait disparaitre le système catalytique II: le plus efficace il est probablement assuré par un médiateur redox soluble
La cathode est l’électrode limitante (densité de courant plus faible et fonctionnement limité des “cathodes à air”) pour les PàCmicrobiennes et pour les phénomènes de corrosion aqueuse.
Pour les « bactériopiles », on cherche à augmenter la réaction cathodique alors qu’en « biocorrosion », on cherche à la limiter.
Echanges toujours forts entre PàC & Corrosion Essais de cathodes Utilisation des réactions anodiques des piles à combustible
microbiennes comme protection cathodique… Stabilité des biofilms électro-actifs
Mécanisme de protection cathodique par des bactéries anaérobiesL. Bouabdalaoui & al. Electrochem. Comm., 2013, Vol 28, p.1-4
En résumé
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De vieux liens et de vieilles querelles …
- amorcés dès de la fin du XVIIIième sur “l’origine du fluide électrique”, entre anatomistes et physiciens d’hier,
“Electricité animale” de Luigi Galvani
“Electricité physique” de Alessandro Volta
et qui se continuent aujourd’hui entre (micro-)biologistes, corrosionistes et physico-chimistes ….
Une longue histoire qui continue….
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106 (2015) 42-49
Direction de l’Energie Nucléaire
Département de Physico-Chimie
Service de la Corrosion et du
Comportement des Matériaux dans
leur Environnement
Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives
Centre de Saclay | 91191 Gif-sur-Yvette Cedex
T. +33 (0)1 69 08 16 57 | F. +33 (0)1 69 08 15 86
Etablissement public à caractère industriel et commercial | RCS Paris B 775 685 019
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Merci
Biofilm sur un acier inoxydable après 5 jours en eau de mer naturelle