Б.Г. Шабалін, ТРАНСФОРМАЦІЯ БЕНТОНІТІВ ЗА НАЯВНОСТІ ІОНІВ Са2+ В КОНТАКТНОМУ РОЗЧИНІ ТА ЇХНІ СОРБЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ ДО 137Cs і 90Sr
https://doi.org/10.15407/mineraljournal.46.03.003
УДК 621.039.75
ТРАНСФОРМАЦІЯ БЕНТОНІТІВ ЗА НАЯВНОСТІ ІОНІВ Са2+
В КОНТАКТНОМУ РОЗЧИНІ ТА ЇХНІ СОРБЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ ДО 137Cs і 90Sr
Б.Г. Шабалін 1, д-р геол. наук, зав. відділу
E-mail: b_shabalin@ukr.net; orcid: 0000-0002-6425-5999
К.К. Ярошенко 1, 2, канд. техн. наук, старш. наук. співроб.
E-mail: igns.yaroshenko@gmail.com; orcid: 0000-0002-7180-4642
О.М. Лавриненко 1, 3, д-р хім. наук, пров. наук. співроб.
E-mail: alena.lavrynenko@gmail.com; orcid: 0000-0002-5271-2048
Н.Б. Міцюк 1, мол. наук. співроб.
E-mail: nmitsiuk@gmail.com; orcid: 0000-0003-3875-007X
1 Державна установа "Інститут геохімії навколишнього середовища НАН України"
03142, м. Київ, Україна, просп. Акад. Палладіна, 34-а
2 Інститут геологічних наук НАН України
01601, м. Київ, Україна, вул. Олеся Гончара, 55-б
3 Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
03142, м. Київ, Україна, вул. Омеляна Пріцака, 3
Мова: англійська
Мінералогічний журнал 2024, 46 (3): 03-15
Анотація: Наведено результати експериментального моделювання впливу концентрації іонів Са2+ і рН модельних розчинів на елементний склад і сорбційні властивості щодо 137Cs і 90Sr зразків природного (ПБ) і промислово модифікованого содою (ПБА-20) бентонітів Черкаського родовища. Процеси сорбції Cs і Sr із багатокомпонентних розчинів з різними рН, Eh та сольовим складом залежать від осаджених нерозчинних або малорозчинних сполук на поверхні бентонітів. За результатами комп’ютерного моделювання визначено, що в модельних розчинах із додаванням розчинів CaCl2 з високолужним рН є незначна кількість осадів, переважно оксидів, гідроксидів, оксигідроксидів Fe (гематит, гетит, лімоніт), а також карбонатів Са (кальцит, арагоніт, доломіт). Оксиди і гідратовані оксиди Fe та карбонати Ca відіграють важливу роль у процесах сорбції Cs і Sr на бентонітах і можуть одночасно сорбувати радіонукліди і блокувати їхні центри сорбції в монтморилонітах. Концентрація основних структурних елементів (Si, Al) у бентонітах зі збільшенням концентрації іонів Са2+ в модельному розчині і рН практично не змінюється порівняно з вихідними зразками ПБ і ПБА-20, що вказує на їхню структурну стабільність. Водночас у іонообмінному комплексі міжшарового простору монтморилоніту як основного мінералу бентонітів виявлено збільшення концентрації Са і зменшення Na порівняно з вихідними зразками, що може поступово призводити до перетворення бентоніту ПБА-20 з Na-Са-форми в Са-Na. Показано, що сорбція 137Cs і 90Sr на ПБ відбувається ефективніше, ніж на ПБА-20, за підвищеної концентрації іонів Са2+ і збільшення рН. Результати досліджень можуть слугувати основою під час застосування бентонітової глини як протиміграційного і протифільтраційного бар’єру для певного об’єкта захоронення радіоактивних відходів.
Ключові слова: сорбція, стронцій, цезій, бентоніт, інженерні бар’єри, приповерхневі сховища радіоактивних відходів.
References / Література
Alonso, M.C., García Calvo, J.L., Cuevas, J., Turrero, M.J., Fernández, R., Torres, E. and Ruiz, A.I. (2017), Phys. Chem. Earth, Vol. 99, pp. 38-48. https://doi.org/10.1016/j.pce.2017.03.008
Anh, H.N., Jo, H.Y. and Kim, G.Y. (2017), Environ. Earth Sci., Vol. 76, pp. 1-10. https://doi.org/10.1007/s12665-017-6704-8
Bondarenko, G.M., Kononenko, L.V. and Koliabina, I.L. (2014), Kinetics of radionuclide formation in soils as a key factor in predicting the ecological state of the natural environment, Nauk. dumka, Kyiv, 204 p. [in Russian].
[Бондаренко, Г.Н., Кононенко, Л.В., Колябина, И.Л. (2014), Кинетика формообразования радионуклидов в почвах как ключевой фактор прогнозирования экологического состояния природной среды. Киев: Наук. думка. 204 с.]
Bradbury, M.H. and Baeyens, B. (2002), Pore water chemistry in compacted re-saturated MX-80 bentonite: Physico-chemical characterization and geochemical modeling, Technical report 01-08. URL: https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/33/045/33045408.pdf (Accessed: 17.02.2024)
Dyer, J., Chow, K.K. and Umar, I.M. (2000), J. Mater. Chem., Vol. 10, No. 12, pp. 2734-2740. https://doi.org/10.1039/b006662l
Erdey-Gruz, T. (1976), Transport phenomena in aqueous solutions, Mir, Moscow, 592 p. [in Russian].
[Эрдеи-Груз, Т. (1976), Явления переноса в водных растворах. Москва: Мир. 592 c.]
Essington, M.E. (2004), Soil and Water Chemistry, CRC Press New York, 534 p. https://doi.org/10.1201/b12397
Ferrage, E., Lanson, B., Sakharov, B.A., Georoy, N., Jacquot, E. and Drits, V.A. (2007), Amer. Miner., Vol. 92, No. 10, pp. 1731-1743. https://doi.org/10.2138/am.2007.2273
Fusova, L. (2009), GeoSci. Engineer., Vol. LV, No.1, pp. 27-32. http://gse.vsb.cz (Accessed: 17.02.2024)
ICRU Report 92 (2015), J. of ICRU, Vol. 15, No. 1-2. http://doi.org/10.1093/jicru/ndy010
Kaufhold, S. and Dohrmann, R. (2011), Applied Clay Sci., Vol. 51, No. 3, pp. 300-307. https://doi.org/10.1016/j.clay.2010.12.004
Kaufhold, S., Dohrmann, R., Ufer, K. and Kober, F. (2018), Clay Miner., Vol. 53, Iss. 4, pp. 745-763. https://doi.org/10.1180/clm.2018.54
Kim, Y. and Kirkpatrick, R.J. (1997), Geochim. et Cosmochim Acta, Vol. 61, pp. 5199-5208. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(97)00347-5
Kobets, S.A., Demchenko, V.Ya. and Pshynko, H.M. (2007), Nuclear and radiation technologies, Vol. 7, No. 3-4, pp. 72-78 [in Ukrainian].
[Кобец, С.А., Демченко, В.Я., Пшинко, Г.М. (2007), Ядерні та радіаційні технології. 7, № 3—4. C. 72—78.]
Kuleshova, M.L., Danchenko, N.N., Sergeev, V.I., Shymko, T.G. and Malashenko, Z.P. (2014), Bull. Moscow Univ., Ser. 4, Geology, No. 5, pp. 87-95 [in Russian].
[Кулешова, М.Л., Данченко, Н.Н., Сергеев, В.И., Шимко, Т.Г., Малашенко, З.П. (2014), Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. № 5. С. 87—95.]
Ochs, M., Mallants, D. and Wang, L. (2016), Radionuclide and Metal Sorption on Cement and Concrete, Springer Int. Publ.: Cham, Switzerland, Vol. 29. https://doi.org/10.1007/978-3-319-23651-3
Okumura, M., Kerisit, S., Bourg, I.C., Lammers, L.N., Ikeda, T., Sassi, M., Rosso, K.M. and Machida, M. (2018), J. Environ. Radioactiv., Vol. 189, pp. 135-145. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2018.03.011
(2004), Proc. Int. workshop on bentonite-cement-interaction in repository environments NUMO-TR-04-05, Tokyo, Japan, 14-16 April, Nuclear Waste Management Organization of Japan, 190 p. URL: https://www.numo.or.jp/en/reports/pdf/NUMO_TR_04_05.pdf (Accessed: 17.05.2024)
Pusch, R., Zwahr, H., Gerber, R. and Schomburg, J. (2003), Appl. Clay Sci., Vol. 23, Iss. 1-4, pp. 203-210. https://doi.org/10.1016/S0169-1317(03)00104-2
(2013), Regulatory document 1.037:2013 Short-lived low- and intermediate-level waste from NPPs. Requirements for the final processing product. Approved by the order of the Ministry of Energy and Coal Industry of Ukraine, of October 28, 2013, No. 790, Kyiv [in Ukrainian].
[(2013), Нормативний документ СОУ ЯЕК 1.037:2013 Короткоіснуючі низько- та середньо активні відходи АЕС. Вимоги до кінцевого продукту переробки. Наказ М-ва енергетики та вугільної промисловості України № 790 від 28 жовт. 2013 р. Київ.]
Sánchez, L., Cuevas, J., Ramírez, S., Riuiz De León, D., Fernández, R., Vigil Dela Villa, R. and Leguey, S. (2006), Appl. Clay Sci., Vol. 33, Iss. 2, pp. 125-141. https://doi.org/10.1016/j.clay.2006.04.008
Sato, T., Kuroda, M., Yokoyama, S. et al. (2004), Proc. Int. Workshop on Bentonite-Cement Interaction in Repository Environments, 14-16 April. Tokyo, Japan, 2004, pp. 116-120. URL: https://www.numo.or.jp/en/reports/pdf/NUMO_TR_04_05.pdf (Accessed: 02.06.2024)
Savage, D., Noy, D. and Mihara, M. (2002), Applied Geochem., Vol. 17, Iss. 3, pp. 207-223. https://doi.org/10.1016/S0883-2927(01)00078-6
Sellin, P. and Leupin, O.X. (2014), Clays and Clay Minerals, Vol. 61, No. 6, pp. 477-498. https://doi.org/10.1346/CCMN.2013.0610601
Semenkova, A.S., Ilina, O.A., Krupskaya, V.V., Zakusin, S.V., Dorzhieva, O.V., Pokidko, B.V., Romanchuk, A.Yu. and Kalmykov, S.N. (2021), Bull. Moscow Univ., Ser. 2, Chemistry, Vol. 62, No. 5, pp. 424-434 [in Russian].
[Семенкова, А.С., Ильина, О.А., Крупская, В.В., Закусин, С.В., Доржиева, О.В., Покидько, Б.В., Романчук, А.Ю., Калмыков, С.Н. (2021), Вест. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 62, № 5. C. 424—434.]
Shabalin, B., Yaroshenko, K., Bugera, S. and Mitsiuk, N. (2022a), "Mineralogical-Geochemical Properties of Bentonite Clays of the Cherkasy Deposit to Increase the Environmental Safety of Radwaste Disposal at the Vektor Disposal Complex", in Zaporozhets, A. (ed.), in book: Systems, Decision and Control in Energy III. Studies in Systems, Decision and Control, Vol. 399, pp. 203-220. https://doi.org/10.1007/978-3-030-87675-3
Shabalin, B.G., Yaroshenko, K.K., Lavrynenko, O.M. and Mitsiuk, N.B. (2022b), Mineral. Journ. (Ukraine), Vol. 44, No. 2, pp. 60-68. https://doi.org/10.15407/mineraljournal.44.02.060
Shabalin, B.G., Lavrynenko, O.M. and Mitsuik, N.B. (2023), Bull. Nat. Technical Univ. Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic In-te" Ser. Chemical Engineering, Ecology and Resource Saving, No. 1(22), pp. 75-87 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.20535/2617-9741.1.2023.276449
[Шабалін, Б.Г., Лавриненко, О.М., Міцюк, Н.Б. (2023), Вісн. Нац. техн. ун-ту України "Київ. політехн. ін-т ім. Ігоря Сікорського", Сер. Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження. № 1(22). C. 75—87.]
Shestopalov, V.М. (1999), Development of filtration and hydrochemical model. Report on scientific and research works. Agreement No. 4967-98-S016. Scientific and Research Centre.
Shevchenko, O.L., Dolin, V.V., Orlov, O.O., Shabalin, B.G., Kirieiev, S.I., Azimov, O.T., Akinfiiev, G.O., Nasedkin, I.Yu., Gudzenko, V.V., Perekheida, V.V. and Charnyi, D.V. (2023), Radiogeochemistry of catchment basins of the Chornobyl Exclusion Zone, Nauk. dumka, Kyiv, 348 p. [in Ukrainian]. http://doi.org/10.15407/978-966-00-1855-6
[Шевченко, О.Л. Долін, В.В., Орлов, О.О., Шабалін, Б.Г., Кірєєв, С.І., Азімов, О.Т., Акінфієв, Г.О., Насєдкін, І.Ю., Гудзенко, В.В., Перехейда, В.В., Чарний, Д.В. (2023), Радіогеохімія водозбірних басейнів Чорнобильської зони відчуження. Київ: Наук. думка. 348 c.]
Stevart, W.M. and Hossner, L.R. (2001), J. Environ. Qual., Vol. 30, pp. 1143-1149. https://doi.org/10.2134/jeq2001.3041143x
Synytsyn, V.O., Koliabina, I.L., Saveniuk, S.P. and Samchuk, B.I. (2006), Coll. papers Donetsk NTU, Ser. Mining and Geol., Vol. 1, Iss. 111, pp. 104-113 [in Ukrainian].
[Синицин, В.О., Колябіна, І.Л., Савенюк, С.П., Самчук, Б.І. (2006), Зб. наук. пр. ДонНТУ, Сер. гірн.-геол. 1, вип. 111. C. 104—113.]
Qiu, J.; Jiang, Shan; Wang, Yueting; Chen, Guowei; Liu, Dongliang; Liu, Xiaodong; Wang, Guifang; Wu, Peng and Lyu, Xianjun (2020), Mater. Res. Express, Vol. 7, No. 7, ID 075505. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aba803
WAC (2009), Waste Acceptance Criteria for radioactive waste disposal in a specially equipped near-surface disposal facility for solid radioactive waste (ENSDF). First stage of ENSDF operation. Acceptance of waste from solid radwaste treatment plant (SRTP) and liquid radwaste treatment plant (LRTP) of SSE ChNPP for disposal in two symmetrical ENSDF compartments [in Russian].
[WAC (2009), Критерии приемки радиоактивных отходов на захоронение в специально оборудованном приповерхностном хранилище твердых радиоактивных отходов (СОПХТРО). Первый этап эксплуатации СОПХТРО. Прием РАО от ЗПЖРО и ЗПТРО ГСП ЧАЭС для захоронения в два симметричных отсека СОПХТРО.]
Wang, W., Shi, L., Wu, H., Ding, Z., Jianjun, Liang, J., Li, P. and Fan, Q. (2023), Water Research, Vol. 238, 119918. http://doi.org/10.1016/j.watres.2023.119918
Wilson, M.J. (2013), Rock-forming minerals, Vol. 3C, Sheet silicates: clay minerals, The Geol. Society, London, 724 p.
Yang, Y., Arun Kumar Narayanan Nair and Sun, S. (2019), Earth and Space Chem., No. 11, pp. 2372-2645. https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.9b00236
Zhang, W., Chen, S., Tong, K., Li, S., Huan, K., Dai, Z. and Luo, L. (2022), J. Phys. Chem., Vol. 126, No. 22, pp. 9597-9609. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c02549