固液界面におけるアクチニドイオンの酸化還元反応メカニズム(公募型研究に関する共同研究報告書)

Mechanism of Redox Reactions of Actinide Ions on Solid/Water Interface

田中 知*; 長崎 晋也*; 中田 弘太郎*; 小田 卓司*; 亀田 純*; 亀井 玄人 ; 舘 幸男  

Tanaka, Satoru*; Nagasaki, Shinya*; Nakata, Kotaro*; Oda, Takuji*; Kameda, Jun*; Kamei, Gento; Tachi, Yukio

鉄(II)を含む鉱物の表面におけるクロム(Cr)およびネプツニウム(Np)の酸化還元反応について研究した。予備的な研究として,塩化第一鉄(FeCl)及びマグネタイト(Fe(II)Fe(III)O)とCr(VI)を反応させたところ,酸化還元反応が起こることが確認された。このときの実験結果から,マグネタイト表面でFe(II)が消費されると電子移動が生じ,マグネタイト表面に存在するFe(II)の量以上に酸化還元反応が進むことが示唆された。この結果は,量子化学計算を用いても定性的に示された。また,FeClとNp(V)を反応させたところ明確な酸化還元反応は見られなかったが,マグネタイトとNp(V)を反応させたときにはNpの4価への還元が確認された。この反応は,マグネタイト/水溶液比が高いほど,また温度が高いほど早く進むことが確認され,その反応速度定数を導出した。その結果,Cr(VI)の場合と同様に,マグネタイト表面に存在するFe(II)の量以上に酸化還元反応が進むことが示唆された。さらに,不活性ガス雰囲気中で石英を粉砕した際に水素ガス及び水素イオンの発生が認められ,Fe(II)を含まない鉱物でも酸化還元反応の起こる可能性が示唆された。

Redox reactions between Cr(VI) and iron(II) chloride (FeCl2) and those between Cr(VI) and magnetite (Fe(II)1Fe(III)2O4) were observed as a preliminary study. According to the experimental results, it was suggested that the redox reactions were promoted more than the amount of Fe(II) on magnetite surface because of electron transfer from internal Fe(II) to magnetite surface. The results were quantitatively supported from quantum chemical calculations. Redox reactions between Np(V) and magnetite and the reduction of Np to tetravalent were observed, while those between Np(V) and FeCl2 were not observed obviously. It was observed that the reactions were promoted rapidly when the magnetite / solution ratio and the temperature were high, and the rate constant of the reactions was obtained. Furthermore, it was found that hydrogen gas and hydrogen ion were generated with crushing the quartz in an inert gas atmosphere.