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強アルカリ性・高Ca濃度下でのモンモリロナイトの溶解に関する分子軌道法解析

Molecular orbital analysis on dissolution of smectite under strong alkaline condition with high Ca concentration

松枝 直人*; Abidin, Z.*; 藤井 直樹*; 小田 治恵; 本田 明

Matsue, Naoto*; Abidin, Z.*; Fujii, Naoki*; Oda, Chie; Honda, Akira

超ウラン核種を含む放射性廃棄物の地層処分場では、長期間経過後、人工バリアの一部であるベントナイトが、セメント系材料と地下水との反応に由来する強アルカリ性かつ高Ca濃度の水にさらされて、溶解変質する懸念がある。ベントナイトの主成分であるモンモリロナイトのクラスターモデルを用いた第一原理量子化学計算によって、強アルカリ性環境下では、八面体シート中のAlはMgよりも溶解性が高いことが示された。特に、(010)面や(110)面の端面に存在する、四面体シートと八面体シートを連結する不飽和なSi-O-Al結合が開裂しやすいことが示唆された。各種端面に存在するSi-OH基やAl-OH$$_{2}$$基の解離に伴う溶解は生じにくいと推測した。一方、OH$$^{-}$$がSiを攻撃し吸着することで、当該Si及び近傍のSiやAlが溶解するパターンが示された。また、少なくとも溶解の初期段階では、交換性陽イオン種(Na$$^{+}$$又はCaOH$$^{+}$$)の違いによる影響は認められなかった。以上より、TRU地層処分場におけるベントナイトの長期安定性を評価する際には、モンモリロナイトの構造化学的因子、特にモンモリロナイトの八面体シートの組成を考慮に入れる必要がある。

Bentonite is expected to be used along with cement as engineered barrier components of TRU waste geological disposal system. There is a concern that the bentonite dissolved or altered owing to the contact with strong alkaline and high Ca concentration water derived from the reaction of the cement and groundwater. The first-principles quantum chemical calculations using the cluster model of montmorillonite, the main component of bentonite, were performed, and it was indicated that octahedral Al has higher solubility than octahedral Mg under strong alkaline condition and unsaturated Si-O-Al bond connecting tetrahedral and octahedral sheets at the edge of 110 and 010 planes cleaves easily. The adsorption of OH$$^{-}$$ on tetrahedral Si atom caused dissolution of adjacent Si and Al atoms in addition to the Si atom. While, the dissociation of Si-OH and Al-OH$$_{2}$$ groups and the difference in exchangeable cation species were shown to be less likely to affect the dissolution behavior of montmorillonite.

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