A Thermodynamic model on the effect of salinity on the micropore structure of Na-montmorillonite

Naモンモリロナイトの微細間隙構造に及ぼす塩濃度の影響に関する熱力学モデル

佐藤 治夫

Sato, Haruo

幌延深地層研究計画では、地層処分における処分技術の信頼性向上と安全評価モデルの高度化の一環として、緩衝材や埋め戻し材として使用予定のベントナイトの物理化学特性について研究している。Na型ベントナイト構成粘土鉱物のNaモンモリロナイトの層間距離や外部間隙は、モンモリロナイト密度や接触する溶液の塩濃度が増加すると変化することがわかりつつある。この現象は、塩水系地下水条件でのベントナイト中の核種の拡散,透水,膨潤,シーリングなど、各種メカニズムの理解やモデルを構築するうえで重要な基礎データである。著者は、これまでにNaモンモリロナイトの層間水の自由エネルギー(dG)と含水比との関係を定式化し、ベントナイトの膨潤圧を計算する熱力学モデルを構築した。本研究では、その関係に基づいてNaモンモリロナイトがさまざまな塩濃度の地下水と接触した時の層間水のdGから含水比を求めることで層間距離の計算を試みた。具体的には、塩濃度に対するモンモリロナイト積層部の平均密度を計算し、層間距離に変換した。塩濃度の増加に伴い平均密度は増加し、例えば、0.5M-NaClでは初期に0.5kg/dmの密度が1.05kg/dmまで増加した。この密度変化は層間距離の減少と外部間隙の増加に起因した情報を含んでいるため、さまざまな塩濃度に対して層間距離が計算できるものと期待される。塩濃度に対する層間距離の変化についてはほとんど報告値がないが、計算結果は既存の報告値と整合している。

This paper presents a thermodynamic model which can calculate the interlayer space of Na-montmorillonite based on the relative partial molar Gibbs free energy of interlayer water in the Na-montmorillonite when contacted with a solution of an arbitrary salinity. Since the interlayer space of Na-montmorillonite cannot be directly calculated thermodynamically, here the average density of the Na-montmorillonite stacks and aggregates was calculated versus salinity. Based on the calculated results of Na-montmorillonite density versus salinity, interlayer space versus salinity was estimated. The calculated average density of montmorillonite stacks and aggregates increased with salinity, and particularly the change in density was significant in the low region of the initial montmorillonite density. The initial montmorillonite density of 0.5kg/dm increased to about 1.05kg/dm at the condition of 0.5M-NaCl, meanwhile the initial montmorillonite density of 1.0kg/dm increased to about 1.16kg/dm at the same salinity. The interlayer space estimated decreased with increasing salinity, and this trend was consistent with that of measured results.