The impact of groundwater chemistry on the stability of bentonite colloids

• Main Author: Garcia Garcia, Sandra
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Kemi 2007
• Subjects: Nuclear chemistry; Kärnkemi
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-4504; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-7178-760-6

I det svenska djupförvaret för kärnbränsle ska kompakterad bentonit användas som barriär mellan kopparkapslar med utbränt kärnbränsle och berget. I kontakt med vattenförande sprickor kan bentonitbarriären under vissa omständigheter avge montmorillonitkolloider. Förutom att barriärens egenskaper urholkas pga förlusten av material kan kolloiderna, om de är stabila, underlätta transporten av sorberade radionuklider ut mot biosfären. Den här studien fokuserar på att undersöka vilka effekter grundvattenkemin har på montmorillonitkolloiders stabilitet. Grundvattnets sammansättning, pH och jonstyrka, kommer sannolikt att förändras under djupförvarets livslängd, delvis pga inträngandet av glactialt smältvatten. Initialt kommer omgivande berg att värmas upp pga värmealstring från det radioaktiva sönderfallet i det utbrända kärnbränslet. Effekterna av pH, jonstyrka och temperatur på montmorillonitkolloiders stabilitet har analyserats genom att följa hur kolloiderna aggregerar med tiden. Minskningen av partikelkoncentration med tiden mättes med Photon Correlation Spectroscopy (PCS). Aggregationsexperimenten visar att, vid ett givet pH och en given temperatur, ökar hastighetskonstanten för aggregation med ökande jonstyrka. Kritiska koaguleringskoncentrationen (CCC) för NaCl och CaCl2 för Na-montmorillonit och Ca-montmorillonit beräknas utifrån ett samband mellan hastighetskonstanterna och jonstyrkan. Hastighetskonstanten för aggregation minskar med ökande pH eftersom ytpotentialen ökar. Effekten blir tydligare vid högre jonstyrkor och högre temperaturer, men kan däremot inte observeras vid låga temperaturer. Temperatureffekten på bentonitkolloidernas stabilitet är pH-beroende. Vid pH≤4 ökar hastighetskonstanten för kolloidaggregation med ökande temperatur, oavsett jonstyrka.Vid pH≥10 minskar hastighetskonstanten med ökande temperatur. I mellanliggande pH-område minskar hastighetskonstanten för aggregation med ökande temperatur, förutom vid den högsta jonstyrkan, där den ökade. Beräkningar baserade på DLVO-teori matchar de experimentella resultaten. === In deep geological repositories in Sweden, encapsulated nuclear waste will be surrounded by compacted bentonite in the host rock. In future contact with water-bearing fractures, this bentonite barrier can release montmorillonite colloids under certain conditions. This process can lead to loss of buffer material. Furthermore, these colloids, if stable, may facilitate the transport of associated radionuclides towards the biosphere. Colloid stability is determined by groundwater chemistry. This study addresses the effects of groundwater chemistry on the stability of montmorillonite colloids. During the lifetime of the repository, the pH and ionic strength of the groundwater are expected to vary, partly due to intrusion of glacial melt water. Initially, the temperature will be higher in the surrounding host rock due to heat released from radioactive decay in the spent nuclear fuel. The effects of these parameters on the stability of montmorillonite suspensions were evaluated by studying the aggregation kinetics. The change in particle concentration with time was monitored by Photon Correlation Spectroscopy (PCS). Aggregation kinetics experiments showed that for a given pH and temperature, the rate constant for colloid aggregation increased with increasing ionic strength. The relationship between the rate constant and the ionic strength allowed the NaCl and CaCl2 critical coagulation concentration (CCC) for Na- and Ca-montmorillonite to be determined. The aggregation rate constant decreased with increasing pH as the surface potential increased. This effect became more pronounced at higher ionic strengths and higher temperatures but could not be observed at low temperature. The effect of temperature on the stability of the suspensions is pH-dependent. At pH≤4, the rate constant for colloid aggregation increased with increasing temperature, regardless of ionic strength. At pH≥10, the aggregation rate constant decreased with increasing temperature. In the intermediate pH interval, the aggregation rate constant decreased with increasing temperature except at the highest ionic strength, where it increased. The experimental results were in agreement with DLVO calculations. === QC 20101105