SKB Korrosion av koppar i rent syrefritt vatten

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "SKB Korrosion av koppar i rent syrefritt vatten"

Emil Lundström
för 5 år sedan
Visningar:

Sidan 1 av 16 SKB 2011-03-23 Korrosion av koppar i rent syrefritt vatten Undersökning av

(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry XPS/ESCA (X-ray Photo Electron Spectroscopy) FTIR

1 Sidan 1 av 16 SKB Korrosion av koppar i rent syrefritt vatten Undersökning av koppartrådarna Scanning Electron Microscopy - SEM Energy Dispersive X-ray Spectroscopy - EDX TOF-SIMS (Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry XPS/ESCA (X-ray Photo Electron Spectroscopy) FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) py) med ATR-tillsats Betning av oxidskiktet enligt ISO 8407 med amidosvavelsyra

2 Sidan 2 av 16 Scanning Electron Microscopy - SEM

3 Sidan 3 av 16 Energy Dispersive X-ray Spectroscopy - EDX

4 Sidan 4 av 16

5 Sidan 5 av 16 Atomär sammansättning baserad på EDX 60% Atomär sammansättning [%] 50% 40% 30% 20% 10% 0% Al C Cu Mg O Si Element ToF-SIMS ts] Signal [Count H H2 Li C Na Mg Al Si SiH S 2H5 4N 3O C2 CH CH K Ca MgO NaO OH SiO HO Mn Fe CaO Si OH 8Ni Co 3Cu 4Zn CuH 5Cu CuH 5H9 i2o C CaO C 65 65C C5 CuO Cu2 u2h 5Cu Cu2 2O OH CuO OH 2O OH Cu3 5Cu u3h CuO Cu3 3O CuO OH 2O 3O 3C2 4Na 5O5 Si 63C 63C 63Cu 63Cu65 65C 63Cu 63Cu2 63Cu65C 65Cu2 65Cu 65Cu2 63C 63Cu265 Cu 63Cu65C 65C 63Cu 63Cu265C Cu3O 63Cu65Cu 65Cu Cu3 C24H38O4 C29H45 Positive Ions

6 Sidan 6 av s] Signal [Counts H H2 Li C Na Mg Al Si Si ih C2H H5 CH4 N CH3 O K Ca Mg O NaO H SiO SiH O Mn Fe Ca O CaO H 58N Ni Co 63C Cu 64Z Zn 63Cu H 65C Cu 65Cu H C5H H9 Si2 O 63Cu O 63Cu u2 63Cu2 2H 63Cu65C Cu 65Cu u2 63Cu2 O 63Cu2O H 63Cu65Cu O 65Cu2O H 65Cu2 O 65Cu2O H 63Cu u3 63Cu265C Cu Cu3 3H 63Cu65Cu O 65Cu u3 63Cu3 O 63Cu265Cu O Cu3O H 63Cu65Cu2 O 65Cu3 O Cu3C C2 C24H38O4N Na C29H45O O5 Positive Ions Djupprofilering ToF-SIMS Sputtrad yta: 500x500 mm Analyserad yta: 200x200 m Lateral upplösning < 1 m 576 s sputtringstid motsvarar 100 nm

7 Sidan 7 av 16 ToF-SIMS Djupprofil av Cu 2 O Cu2O/Cu s = 100 nm Sputter time (s) ToF-SIMS, Djupprofil av kisel SiO/Cu Sputter time (s)

8 Sidan 8 av 16 ToF-SIMS, Djupprofil av väte H/Cu Sputter time (s) XPS: Molekylär sammansättning för Cu som funktion av sputtringstid Sample Atom % 100 % Cu tot Cu (0 and I) Cu (II) Cu tot Cu (0 and I) Cu (II) ca ev ev ca ev ev Cu: as received Cu: rinsed Cu: rinsed + soft sputter 30 sec Cu: rinsed + soft sputter 1.5 min Cu: rinsed + soft sputter 1.5 min + sputter to clean 30 sec Cu: rinsed + soft sputter 1.5 min + sputter to clean 1.5 min

9 Sidan 9 av 16 FTIR-spektroskopi på ytbeläggning Silicate Cu 2 O Absorbance OH groups CH streching CuO C=O Wavenumber [cm 1 ] Betning av oxidskiktet enligt ISO 8407 (med amidosvavelsyra) Före Efter

10 Sidan 10 av 16 Oxidering av koppar trådar Oxidtillväxt Metallförlust Tjocklek av oxidskikt [nm] Bortoxiderat Cu skikt [nm] Tråd 2 Tråd 3 5 månader år 1991 Tråd 0 Tråd 2 Tråd 3 5 månader år 1991 Tråd ISO 8407 (med amidosvavelsyra) utom 1991 (HCl) Slutsatser angående koppartrådarna Oxidskikten är ca 100 nm tjocka. Bildade oxidskikt svarar väl mot den syremängd som fanns i systemen från början Ingen oxidation under ca 20 år Oxidskiktet består i första hand av Cu 2 O men med inslag av CuO Kisel och kol finns närvarande. Troligen i hög grad som kiselkarbid från slipningen av trådarna före exponering. Aluminium, magnesium och (kisel) kommer troligen från provrörsglaset Alkali från glaset finns också närvarande i små halter. Djupprofilering av väte visar att halten väte är mycket låg djupt in i oxidskiktet

11 Sidan 11 av 16 Palladiummembranet Permeationsmätningar ToF-SIMS Permeationsmätningar Lyssy Gas Permeability Tester

12 Sidan 12 av 16

13 Sidan 13 av 16 Permeationsmätningar med kväve Permeation [ml/(m2 dy ygn)] CH 1, stålplatta CH 2, Pd membran CH 1, Pd membran CH 2, Stålplatta CH 1 CH Meam value Mätning [Nr.] STD Medelvärde ml/(m 2 dygn) Permeationsmätningar med väte (m 2 dygn)] Permeation [ml/( CH 1, stålplatta CH 2, Pd membran CH 1, Pd membran CH 2, Stålplatta Mean value Mätning [Nr.] STD Medelvärde Pd-membran Medelvärde stålplatta Permeation Pd-membran ml/(m 2 dygn) ml/(m 2 dygn) ml/(m 2 dygn)

14 Sidan 14 av 16 Beräkning av permeation genom Pd-bleck Permeation genom Pd-membran enligt E. Fromm och E. Gebhardt i Gase und Kohlstoff in Metallen, 1976, sid 329 A ( p1 p2 ) J P d ekv 1 Där: J är flödet genom membranet, mol/s P är permeabilitetskonstant A är area hos membranet d är tjockleken hos membranet p 1 och p 2 är partialtrycken på vardera sidan av membranet P= exp(-3745/rt) C ekv 2 P(20 C)= mol cm -1 s -1 atm -1/2 A=0.2 cm 2 (diameter aktiv yta är 0.5 cm) d=0,01 cm P 1 =1 atm P 2 = 0 Insättning i ekv 1 ger J(20 C)= mol/s= g/s (H 2 ) J(20 C) Uppmätt = mol/s = g/s (H 2 )

15 Sidan 15 av 16 ToF-SIMS-mätningar på Pd-membran Före permeationsmätning [counts] 3 x S ubstance Mass Color H Pd Intensity Time / s Efter permeationsmätning [counts] 2 x S ubstance Mass Color H Pd Intensity Time / s

16 Sidan 16 av 16 2 x S ubstance Mass Color PR-P3.TFD H 1.01 PRE-P4.TFD H Efter H2-permeabilitet 2.0 Före H2-permeabilitet Time Slutsatser: Vätepermeation genom Pd-membran Pd-membranet släpper igenom väte Efter exponering mot väte ökar väteinnehållet i Pd-membranet Permeationshastigheten är dock ca 30 gånger lägre än det angiven värdet av E. Fromm och E. Gebhardt i Gase und Kohlstoff in Metallen, 1976, sid 329 Det finnas ett skikt som begränsar permeationshastigheten

Relevanta dokument

SKB Korrosion av koppar i rent syrefritt vatten

SKB Korrosion av koppar i rent syrefritt vatten SKB 2010-11-15 Korrosion av koppar i rent syrefritt vatten Förslag på undersökningar och genomförda undersökningar Koppartrådar Vatten Förslutningsbleck (Pd) Glasprovrör Förslutningsfog läcker ej Luftspalt