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Technical Report NTB 13-03

Redox properties of iron-bearing clays and MX-80 bentonite – Electrochemical and spectroscopic characterization

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Um die Redox-Eigenschaften von natürlichen und bautechnischen Umgebungen wie zum Beispiel die in geologischen Tiefenlagern besser beurteilen zu können, ist die Charakterisierung der Redox-Eigenschaften von Fe-haltigen Mineralen bei An- und Abwesenheit von gelöstem Fe2+ von grosser Bedeutung. Im Rahmen dieser Studie wurde ein elektrochemisches Verfahren ent­wickelt, das lösliche, organische Mediatoren verwendet, um Elektronenübergänge zu messen. Mit diesem Verfahren konnten die Redox-Eigenschaften von Fe-haltigen Ton­minera­len, MX-80-Bentonit sowie Kombinationen von Tonmineralen, Eisenoxiden und gelöstem Fe2+ quantifiziert werden. Durch elektro-chemisch erwirkte Oxidation und Reduktion von eisen­haltigem Smektit SWa-1, Wyoming-Montmorillonit SWy-2 sowie MX-80-Bentonit konnte deren Fähigkeit zur Elektronenaufnahme und -abgabe bei einem pH-Wert von 7.5 quanti­fi­ziert werden. In den Tonmineralen war das strukturell gebundene Eisen redoxaktiv im Gegen­satz zum Fe in den nicht weiter definierten Phasen des MX-80-Bentonits. Die unter­suchten Materialien waren über ein breites Eh-Spektrum redoxaktiv: das Fe2+/Fegesamt-Ver­hält­nis der Minerale variierte von 0 bis 100 % zwischen +600 und -600 mV (vs. SHE). Die Redox-Eigenschaften der Minerale waren aufgrund deren struktureller Änderungen, wie sie in nativen oder Redox-belasteten Tonmineralen vorkommen, sehr pfadabhängig. Bei Materia­lien mit einem niedrigeren Fe-Gehalt, wie in MX-80-Bentonit und SWy-2-Montmorillonit, waren weniger irreversible Veränderungen der Mineralstruktur zu beobachten. Systeme, die aus natür­lichen Montmorilloniten (SWy-2 oder MX-80), Goethit und gelöstem Fe2+ bestehen, konnten einen Eh-Bereich zwischen 0 und -300 mV puffern. Unabhängig vom Fe-Oxidations­zustand sind Fe-haltige Minerale über einen breiten Potenzialbereich redoxaktiv. Aus diesem Grund sind sie als Redox-Puffer, welche das Verhalten von redoxaktiven Radionukliden und Metallen in geologischen Tiefenlagern für radioaktive Abfälle bestimmen, sehr wichtig.

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