ВПЛИВ ІОНІВ Ca<sup>2+</sup> НА ЕЛЕМЕНТНИЙ СКЛАД ТА СОРБЦІЙНУ ЗДАТНІСТЬ ЩОДО <sup>137</sup>Cs ЧЕРКАСЬКИХ БЕНТОНІТІВ (УКРАЇНА)
DOI:
https://doi.org/10.30836/igs.1025-6814.2024.1.280018Ключові слова:
черкаський бентоніт, Na-модифікований бентоніт, сорбція, цезій, чорнобильська зона відчуження, інженерні бар’єриАнотація
Безпека приповерхневих сховищ радіоактивних відходів ґрунтується на системі інженерних і природних бар’єрів. Значна деградація інженерної бар’єрної системи, що складається з цементованих матриць відходів, покритих цементною сумішшю, бетонних відсіків і конструкцій у підвалі сховища, може спричинити перенесення радіонуклідів зі сховища з інфільтрацією в ґрунтові води. Змішування цементу і бетону з водою призводить до утворення низки різних продуктів гідратації з подальшим вилуговуванням іонів Са2+ та утворенням гідроксильних іонів (OH-), що впливає на лужність водного середовища і сорбційні властивості бентонітів як компонентів протиміграційного бар’єру в основі приповерхневих сховищ. У статті наведено результати експериментального дослідження впливу концентрації іонів Са2+ та величини рН модельного розчину (аналогічного складу підземних вод майданчика «Вектор» у Чорнобильській зоні відчуження) на елементний склад і сорбційні властивості природного (ПБ) і Na-модифікованого (ПБА-20) бентонітів Черкаського родовища щодо 137Cs у співвідношенні тверда речовина : розчин як 1 : 100. Геохімічне моделювання показує, що додавання CaCl2 до модельного розчину та кінцеве лужне рН призводять до осадження твердих речовин, головним чином оксидів, гідроксидів, оксигідроксидів Fe (гематит, гетит, лимоніт), карбонатів Ca (кальцит, арагоніт, доломіт). Оцінено їх роль в адсорбції Cs. Концентрація структурних елементів (Si, Al) в бентонітах практично не змінюється при збільшенні концентрації іонів Са2+ в модельному розчині, що свідчить про стабільність структури бентоніту в цих умовах. При цьому в іонообмінному комплексі бентонітів виявлено збільшення концентрації Са та зменшення концентрації Na у порівнянні з вихідним природним бентонітом. Це призводить до перетворення Na-модифікованого бентоніту з Na, Ca-форми в Ca, Na-форми. Сумарна сорбційна здатність бентонітів ПБ та ПБА-20 щодо іонів Cs+ при підвищеній концентрації іонів Ca2+ та рН розчину дещо знижується, але зберігає високі значення ступеня абсорбції (> 90 %). Сумарна адсорбція іонів Cs+ бентонітами ПБ та ПБА-20 з модельного розчину підземних вод із додаванням CaCl2 від 16 до 960 мг/дм3 та підвищенням рН0 від 7,4 до 11,8 зменшується зі збільшенням іонної сили, зокрема за рахунок конкуренції з іонами Са2+ та Na+. Бентоніти ПБ та ПБА-20 Черкаського родовища залишаються надійним компонентом футеровки фундаменту сховища завдяки основній функціональній властивості – високій поглинальній здатності щодо 137Cs, який є важливим дозоутворюючим радіонуклідом короткоживучих низько- та середньоактивних відходів.
Посилання
Atkinson A., Everitt N.M., Guppy R.M. 1987. Evolution of pH in a Radwaste Repository: Experimental Simulation of Cement Leaching. UKAEA Technical Report AERE-R-12594, Harwell : UKAEA Harwell Lab. https://www.osti.gov/etdeweb/biblio/5534690
Balmer S., Kaufhold S., Dohrmann R. 2017. Cement-bentonite-iron interactions on small scale tests for testing performance of bentonites as a barrier in high-level radioactive waste repository concepts. Applied Clay Science, 135, 427-436.
Ferrage E., Lanson B., Sakharov B.A., Georoy N., Jacquot E., Drits V.A. 2007. Investigation of Dioctahedral Smectite Hydration Properties by Modeling of X-ray Difraction Profiles: Innocence of Layer Charge and Charge Location. Am. Mineral, 92: 1731-1743.
Geological Disposal Engineered Barrier System Status Report. NDA Report 2016 No DSSC/452/01, 146. https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/635138/NDA_Report_no_DSSC-452-01_-_Geological_Disposal_-_Engineered_Barrier_System_Status_Report.pdf
Harris A.W., Atkinson A., Cole G.B., Haworth A., Nickerson A.K., Smith A.C. 1997. The performance of cementitious barriers in repositories. Nirex Safety Studies Report NSS/R389, Harwell : UK Nirex Limited.
Kaufhold S. 2011. Stability of bentonites in salt solutions III - Calcium hydroxide. Applied Clay Science, 51 (3), 300-307.
Kim Y., Kirkpatrick R.J. 1997. 23Na and 133Cs NMR study of cation adsorption on mineral surfaces: local environments, dynamics, and effects of mixed cations. Cosmochimica Acta, 61, 5199-5208.
Kloprogge J.T. 1998. Synthesis of Smectites and Porous Pillared Clay Catalyst: Review. Journal of Porous Materials, 5, 5-41.
Konoplev A.V., Konopleva I.V. 1999. Determination of characteristics of equilibrium selective sorption of radiocesium by soils and bottom sediments. Geochemistry, 2, 207-214.
Kuznetsov V.A., Generalova V.A. 2000. Study of the sorption properties of hydroxides of iron, manganese, titanium, aluminum and silicon towards 90Sr and 137Cs. Radiochemistry, 42 (2), 154-157.
Lehikoinen J. 2004. Cement-Bentonite Interaction Issues, Buffering Capacity of Bentonite. Proceedings of the International Workshop on Bentonite-Cement Interaction in Repository Environments, 14-16 April 2004. Tokyo, p. 141-147. https://www.numo.or.jp/en/reports/pdf/NUMO_TR_04_05.pdf
Metcalfe R., Walker C. 2004. Bentonite – Cement Interaction in Repository Environments. Proceedings of international workshop on bentonite-cement-interaction in repository enviroments, 14-16 April 2004. Tokyo, p. 51. https://www.numo.or.jp/en/reports/pdf/NUMO_TR_04_05.pdf
Oda C., Honda A., Savage D. 2004. An Analysis of Cement-Bentonite Interaction and Evolution of Pore Water Chemistry. Proceedings of the International Workshop on Bentonite-Cement Interaction in Repository Environments, 14-16 April 2004. Tokyo, p. 152-157. https://www.numo.or.jp/en/reports/pdf/NUMO_TR_04_05.pdf
Okumura M., Kerisitb S., Bourgc I.C., Lammersd L.N., Ikedaf N., Sassibm M., Rossob K.M., Machidaa M. 2018. Radiocesium interaction with clay minerals: Theory and simulation advances post-Fukushima. Journal of Environmental Radioactivity, 189, 135-145.
Osipov V.I., Sokolov V.N. 2013. Clays and their structural characteristics. Composition and formation of properties : monograph. Moscow : GEOS, p. 576 (in Russian).
Pusch R. 2006. Clays and Nuclear Waste Management. Clay Science : Handbook. 2nd ed., 1, 703 716.
Sato T., Watanabe T., Otsuka R. 1992. Effects of Layer Charge, Charge Location, and Energy Change on Expansion Properties of Dioctahedral Smectites. Clay Minerals, 40, 103-113.
Sato T., Kuroda M., Yokoyama S. et al. 2004. Dissolution Mechanism and Kinetics of Smectite Under Alkaline Conditions. Proceedings of the International Workshop on Bentonite-Cement Interaction in Repository Environments, 14-16 April 2004. Tokyo, p. 116-120. https://www.numo.or.jp/en/reports/pdf/NUMO_TR_04_05.pdf
Sawhney B.L. 1972. Selective sorption and fixation of cations by clay minerals: a review. Clay Minerals, 20, 93-100.
Sellin P., Leupin O.X. 2014. The Use of Clay as an Engineered Barrier in Radioactive-Waste Management. Clays and Clay Minerals, 61 (6), 477-498.
Shabalin B., Yaroshenko K., Buhera S., Mitsiuk N. 2022. Mineralogical-Geochemical Properties of Bentonite Clays of the Cherkasy Deposit to Increase the Environmental Safety of Radwaste Disposal at the Vektor Storage Complex. Systems, Decision and Control in Energy III. Studies in Systems, Decision and Control Systems, 399, 203-220. https://doi.org/10.1007/978-3-030-87675-3_12
Shabalin B., Lavrynenko O., Kosorukov P., Buhera S. 2018. The perspectives of the natural smectite clay application for the creation of a geological repository of radioactive waste in Ukraine. Mineralogical Journal (Ukraine), 40 (4), 65-78 (in Ukrainian). https://doi.org/10.15407/mineraljournal.40.04.065
Stevart W.M., Hossner L.R. 2001. Factor affecting the ratio of cation enhance capacity to clay content in lignite overburden. J. Environ. Qual, 30, 1143-1149.
Zhabova G.M., Yegorov Ye.V. 1961. Regularities of sorption and ion exchange on amphoteric oxides and hydroxides. Advances in Chemistry, 30 (6), 764-776. (in Russian)
Zhang L., Lu X., Zhou J., Zhou H. 2014. Hydration and Mobility of Interlayer Ions of (Nax, Cay)- Montmorillonite: A Molecular Dynamics Study. Journal of Physical Chemistry, 118, 29811-29821.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Б.Г. Шабалін, К.К. Ярошенко, Н.Б. Міцюк
![Creative Commons License](http://i.creativecommons.org/l/by-nc/4.0/88x31.png)
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та безоплатно передають журналу невиключне право публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License (CC BY-NC 4.0), котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з некомерційними цілями, з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).