Adsorption properties of cesium ions to micaceous clay minerals

雲母類粘土鉱物におけるセシウムイオンの吸着特性

奥村 雅彦   ; 中村 博樹  ; 町田 昌彦  ; Kerisit, S.*

Okumura, Masahiko; Nakamura, Hiroki; Machida, Masahiko; Kerisit, S.*

東京電力第一原子力発電所事故により地表に降着した放射性セシウムは、主に土壌中の雲母類粘土鉱物に選択的に吸着され、長期間表面土壌にとどまることが知られている。しかし、原子レベルでの吸着機構や吸着様態は未だに分かっていないことが多い。特に、雲母類粘土鉱物にセシウムが連続的に吸着する際には、ランダムに吸着するのではなく、ある特定の層に集中して吸着されることが実験によって確認されているが、その吸着機構については明らかにされていなかった。我々は、密度汎関数法を用いてイオン交換エネルギーを評価することによって、雲母類粘土鉱物に対する連続的セシウム吸着を調べ、その傾向が原子レベルシミュレーションによって再現されることを確認し、その発現機構を明らかにした。さらに、粘土鉱物表面におけるセシウムの吸着自由エネルギー評価についても発表する。

The Fukushima Nuclear Power Plant (FNPP) accident led to the release of large amounts of radioactive nuclides. Particularly, Cs-137 caused a serious problem, i.e., the evacuation of many residents near FNPP. Then, detailed knowledge of the chemical state and dynamics of cesium ions adsorbed to micaceous clay minerals is needed to develop improved waste soil treatments. In order to determine the interaction of cesium ions with micaceous clay minerals, we evaluated the energetics of serial adsorption of cesium ions. We found that adsorption of cesium ions increases the affinity of clay minerals for further cesium adsorption. This result provides an interpretation of the recent experimental results on ion exchange process in phlogopite. Additionally, we will present an evaluation of the free energy landscape for cesium adsorption on the basal surface of micaceous clay minerals. This provides information on the time scale of adsorption to and diffusion across the basal surface. This fundamental knowledge will help develop new techniques for the treatment of waste soil and reduce environmental load.