Влияние продуктов коррозии железа на деградацию структуры и свойств бентонита

npj Materials Degradation, том 7, Номер статьи: 66 (2023 г.) Цитировать эту статью

169 доступов

Подробности о метриках

Бентонит является ключевым материалом для создания инженерных барьеров, препятствующих миграции подземных вод и нуклидов в многобарьерной системе геологического захоронения высокоактивных радиоактивных отходов (ВАО). Однако его барьерные свойства ухудшаются под действием продуктов коррозии железа стальных контейнеров для отходов. В данной статье влияние продуктов коррозии железа на деградацию структуры и свойств бентонита было исследовано в моделируемых условиях геологического захоронения ВАО. Результаты показали, что Fe2+/Fe3+, растворенные из порошка железа, могли проникать в промежуточный слой монтмориллонита (Мт) и замещать часть Na+, что вызывало уменьшение объема и межслоевого расстояния Мт, а также нарушалась структурная целостность Мт. Макроскопически водопоглощение и набухание бентонита значительно снизились. Механизм деградации структуры Mt заключался главным образом в том, что Fe2+/Fe3+, образующиеся в результате коррозии железа, проникали в межслоевую область Mt, чтобы компенсировать дефицит межслоевого заряда.

Глубокое геологическое захоронение обычно признается большинством стран как единственная осуществимая схема обращения с высокоактивными радиоактивными отходами (ВАО), которая в основном использует многобарьерную систему для постоянной изоляции ВАО от окружающей среды1,2,3. В многобарьерной системе контейнер на основе железа и материал буфера/засыпки являются ключевыми инженерными материалами для предотвращения утечки нуклидов4. Среди них коррозионная стойкость контейнеров на основе железа является ключевым элементом, обеспечивающим стабильность и долговечность системы хранилища5. Материал буфера/засыпки, заполняемый между окружающей породой и металлическим контейнером, должен иметь соответствующие механические свойства и буферную способность6,7. Его основная функция – снизить давление окружающей породы на металлические контейнеры. Когда контейнер выходит из строя из-за коррозионной перфорации, он также может эффективно блокировать миграцию радионуклидов в окружающую среду8. Таким образом, при глубоком геологическом захоронении ВАО система буфера/засыпки играет решающую роль в инженерном барьере, гидравлическом барьере и химическом барьере, а также в проводимости и рассеивании тепла от распада радиоактивных отходов и является эффективной гарантией долгосрочная безопасность и стабильность геологического хранилища ВАО9,10. Однако при захоронении он столкнется с угрозой дестабилизации и деградации, что может ускорить утечку нуклида, а затем нанести большой вред международному здравоохранению и экологической среде.

Бентонит был выбран многими странами в качестве буферного материала для геологического хранилища ВАО из-за его чрезвычайно низкой проводимости воды и хороших свойств адсорбции нуклидов11. Монтмориллонит (Mt) — основной минеральный компонент, который набухает при поглощении бентонитом воды или растворов12. Кристаллическая структура Mt принадлежит к моноклинной системе, и каждый единичный слой состоит из одного октаэдрического листа Al-O и двух тетраэдрических листов Si-O. Поверхность пластинчатого слоя Mt отрицательно заряжена вследствие изоморфного замещения Mg2+/Fe2+ на Al3+ в октаэдрическом листе и/или Al3+ на Si4+ в тетраэдрическом листе, а отрицательный заряд может быть уравновешен межслоевыми катионами, такими как Na+, K+, Са2+ или Mg2+12,13. Эти межслоевые катионы обычно гидратируются и обмениваются, поэтому бентонит обладает сильной способностью к набуханию в воде, способностью к адсорбции катионов и способностью к катионному обмену (CEC)14,15. Грунтовые воды обычно содержат катионы, такие как K+, Ca2+ и Na+, которые оказывают важное влияние на структуру и буферные свойства горы. Эглоффштейн сообщил, что Ca2+ в солевом растворе может легко заменить Na+ в прослоях Mt в бентоните, тем самым уменьшая межслоевое расстояние и способность к набуханию Mt16. Карнланд и др. обнаружили, что Mt может растворяться при высоком значении pH (pHå 12) и образовывать ненабухающие минералы17,18,19. Кроме того, пористость и проницаемость бентонита увеличились, а эффективность буферного барьера снизилась20. При слишком высокой концентрации этих катионов в растворе отрицательный заряд коллоидных частиц бентонита уменьшается под действием электрической нейтрализации, а взаимное отталкивание уменьшается, что приводит к агрегации и седиментации коллоидных частиц бентонита21. Этот эффект просто соответствует уменьшению толщины двойного электрического слоя с увеличением ионной силы, и влияние ионной силы на структуру и свойства Mt заслуживает дальнейшего изучения. При этом катионосорбционная способность бентонита также значительно снизится. Более того, коллапс промежуточного слоя Mt может еще больше затруднить катионный обмен.