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Technical Report NTB 04-02

Experimental and Modelling Investigations on Na-Illite: Acid-Base Behaviour and the Sorption of Strontium, Nickel, Europium and Uranyl

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Im Rahmen einer ausführlichen Studie wurden die physikalisch-chemischen sowie die Protolyse- und Sorptionseigenschaften von Sr(II), Ni(II), Eu(III) und U(VI) an Illit gemessen und für ein breites Spektrum von pH-Werten, Sorbat- und NaClO4-Konzentrationen modelliert.

Dafür wurden Proben von «Illite du Puy» aus der Region von Le Puy-en-Velay in Frankreich sorgfältig zu der reinen Na-Form konditioniert und physikalisch-chemisch charakterisiert. An Na-Illit-Suspensionen erfolgten potentiometrische Titrationen durch Anwendung eines Batchverfahrens mit Rücktitration in 0.01, 0.1 und 0.5 molaren NaClO4 Elektrolytlösungen im Bereich von pH ~2 bis ~12. Solche Experimente wurden in einer Handschuhbox unter Bedingungen einer inerten Atmosphäre durchgeführt. An den überstehenden Lösungen aus den einzelnen Titrationsexperimenten jeder Experimentserie wurden K, Mg, Ca, Sr, Si, Al, Fe und Mn bestimmt.

Zur Bestimmung der pH-abhängigen Sorption wurden Verteilungsverhältnisse (fest/flüssig, aufgetragen gegen den pH-Wert für Sorbatkonzentrationen im Spurenbereich und bei konstanter Ionenstärke, sogenannte «Sorption Edges») für Sr, Ni, Eu und U auf Na-Illit als Funktion der NaClO4-Konzentration unter anoxischen Bedingungen (CO2 ≤ 2 ppm, O2 ≤ 2 ppm) gemessen. Unter ähnlichen Bedingungen wurden für dieselben Radionuklide Sorptionsisotherme für Na-­Illit-Suspensionen in einer 0.1 molaren NaClO4-Lösung bei fixierten pH-Werten bestimmt.

Die Titrationsdaten wurden hinsichtlich der Protolyse zweier amphoterischer Gruppen (=SW1OH and =SW2OH) ohne elektrostatischen Term modelliert. Die aus den Titrationsbestimmungen erhaltenen Protonierungs-/Deprotonierungskonstanten und Gesamtkonzentrationen wurden dann festgelegt. Die pH-abhängigen Sorptions- und die Isothermendaten wurden mit starken (=SSOH) und schwachen (=SW1OH) Oberflächenkomplexierungsgruppen unter Annahme gleicher Protolysekonstanten ohne elektrostatischen Term modelliert. Bei sämtlichen Berechnungen wurde eine Aufnahme durch Kationenaustausch berücksichtigt. Dieses Sorptionsmodell, d. h. die Protolyse zweier Gruppen mit nicht-elektrostatischer Oberflächenkomplexierung und Kationenaustausch wurde zuvor für Montmorillonit entwickelt und beschreibt erfolgreich die Sorptionseigenschaften von Sr, Ni, Eu und U auf Na-Illit für ein grosses Spektrum an chemischen Bedingungen.

Kationenaustauschkapazität, starke und schwache Oberflächenkomplexierungskapazität und Protolysekonstanten werden für Na-Illit zusammen mit Oberflächenkomplexierungskonstanten und Selektivitätskoeffizienten für Sr, Ni, Eu und U angegeben.

Die Sorption von Sr, Ni, Eu und U wurde bei einer 0.01 molaren NaClO4-Lösung und einem pH-Wert < 8 von Kationenaustauschmechanismen dominiert. Die unter diesen Bedingungen beobachtete starke pH-Abhängigkeit wurde durch die Konkurrenzierung von Ca und Al bei der Aufnahme von Sorbat hervorgerufen. Aus diesen Messungen konnten Selektivitätskoeffizienten für Ca und Al bezüglich Na abgeleitet werden.

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