Key processes of long-term bentonite-water interaction at 90°C: Mineralogical and chemical transformations

Mgr. Pavla Filipská, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Bentonit byl vybrán jako vhodný materiál pro stavbu inženýrské bariéry v úložišti vysoce radioaktivních odpadů. Český bentonit s výrobním označením 75 se stal potenciálním kandidátem pro využití jako tlumící a výplňová vrstva, která utěsní prostor mezi kontejnerem s radioaktivním odpadem a okolní horninou. Bentonitová bariéra bude vystavena teplu generovanému rozpadem radionuklidů a hydrataci podzemní vodou, které mohou způsobit její přeměny. Z tohoto důvodu je nutné se zaměřit na studium interakcí bentonitu s vodou, jejichž pochopení je podstatné pro vyhodnocení dlouhodobé stability bentonitu a jeho využití jako inženýrské bariéry. Předložená práce prezentuje výsledky laboratorních experimentů, ve kterých byly simulovány podmínky v úložišti – hydratace a tepelné zatížení bentonitu. Bentonit 75 reagoval po dobu dvou let v uzavřených systémech s demineralizovanou vodou a podzemní vodou při teplotě 90 °C. V průběhu experimentů byly odebírány vzorky pevné fáze – bentonitu a vzorky vody, ve kterých byly sledovány změny v minerálním a chemickém složení. Výsledky ukázaly, že k transformaci montmorillonitu, jako hlavní složky bentonitu, vlivem zvýšené teploty a hydratace během experimentů nedošlo. Illitizace jako jedna z intenzivně studovaných přeměn byla vyloučena vzhledem k nízké koncentraci K+ v roztoku. Tento závěr také potvrdily rostoucí hodnoty kationové výměnné kapacity. Mírné odchylky ve tvaru bazální reflexe montmorillonitu na RTG záznamech byly přisouzeny změnám v zastoupení mezivrstevních kationů. Jako nejvíce reaktivní minerály byly identifikovány siderit, Fe-dolomit/ankerit a kalcit/Mg-kalcit. Rozpouštění/srážení těchto minerálů určilo chemické složení roztoku v kontaktu s bentonitem, jehož změny vyvolaly kationové výměnné reakce. Nejvýznamnějším procesem během interakce bentonitu s vodou bylo rozpouštění sideritu, které způsobilo částečné rozpouštění kalcitu. To vedlo k substituci kationů v mezivrství montmorillonitu, při které byly sodík s hořčíkem částečně nahrazeny vápníkem. Vývoj chemického složení vod byl dominantně určen rovnováhou s jednotlivými minerálními fázemi obsaženými v pevném substrátu. Chemické složení vstupních roztoků, které byly použity pro hydrataci bentonitu, nemělo vliv na geochemické procesy odehrávající se ve sledovaném systému. Bentonit prokázal vysokou schopnost tlumit chemické rozdíly. Výsledné složení vodných médií po interakci s bentonitem bylo prakticky identické.

Abstract:

Bentonites are considered as an engineered barrier for a high-level radioactive waste (HLRW) repository. The Czech product Bentonite 75 is a potential candidate material to be used as a buffer and a backfill. The bentonite barrier is supposed to undergo alteration and transformation processes due to reaction with groundwater and heating originated from radionuclide decay. Detailed knowledge of the bentonite-water interaction is a crucial issue for the evaluation of the long-term stability of the bentonite barrier. This study presents the results of a laboratory experiment in which the repository conditions, hydration, and heating of the bentonite were simulated. Bentonite 75 reacted in a closed system with demineralised water and groundwater at 90 °C for 2 years. Bentonite material (solid phase) and aqueous extracts were analysed over time with respect to the mineralogical and chemical changes. The results indicate that montmorillonite alteration, particularly illitization, could be excluded in this system due to the low concentration of K+ in the solution. In addition, cation exchange capacity measurements did not indicate any transformation process of montmorillonite. Slight modifications of montmorillonite basal reflection profiles in PXRD patterns were attributed to cation exchange reactions. The most reactive minerals included siderite, Fe-dolomite/ankerite, and calcite/Mg-calcite. Dissolution/precipitation of these minerals controlled the composition of the aqueous phase that affected the distribution of the exchangeable cations in the montmorillonite interlayer. The most significant change was the dissolution of siderite that induced partial dissolution of calcite, which resulted in the replacement of Na+ and Mg2+ by Ca2+. The overall evolution of the water chemical composition could be predominantly explained by mineral phase equilibria. The initial water composition did not affect the geochemical processes, which took place in the bentonite-water system due to the strong buffering bentonite capacity.

Keywords

bentonit, stabilita, minerální změny, kationová výměna, chemické složení vody, geochemické modelování, bentonite, stability, mineralogical changes, cation exchange, water chemical composition, geochemical modelling

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 4. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 26. 6. 2018
• Supervisor: doc. RNDr. Josef Zeman, CSc.
• Reader: Mgr. Tomáš Kuchovský, Ph.D., prof. RNDr. Tomáš Pačes, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geology (4-years) / Geological Sciences