Density Functional Studies for Cesium Adsorption to Micaceous Clay Minerals; Low and High Density Situations

密度汎関数法による粘土鉱物におけるセシウム吸着特性解析; 高濃度及び低濃度条件

奥村 雅彦   ; 中村 博樹  ; 町田 昌彦  

Okumura, Masahiko; Nakamura, Hiroki; Machida, Masahiko

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、土壌中の粘土鉱物、特に雲母類粘土鉱物に選択的に吸着され、長期間表層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解明のままである。特に、環境中にセシウムが低濃度で存在する場合、風化した雲母類粘土鉱物のエッジ部分に選択的に吸着されることがこれまでの実験によって明らかにされている。しかし、その吸着機構は明らかではなかった。我々は、密度汎関数法を用いて風化した雲母類粘土鉱物のエッジ部分をモデル化し、選択的吸着がセシウムイオンと粘土鉱物の層間距離の一致により起こることを示した。一方、高濃度領域では、セシウムが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し、こ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た。さらに、この連続的吸着についても、セシウムイオンのイオン半径と粘土鉱物の層間距離の関係が吸着傾向を決めることを明らかにした。

Radiocesium was provided into an environment by the Fukushima Nuclear Power Plant accident and is mainly retained by surface soil. In the top soil, micaceous clay minerals adsorb radiocesium strongly. Particularly, it is known that the edge parts of them show selective adsorption of cesium when the density of cesium is low. We made a simple model using density functional theory to investigate this chemical reaction. In a high density case, it is known that serial adsorption of cesium is occurred. We found that serial adsorption is realistic process in this case. In both cases, competition between the interlayer distance of clay minerals and ion radius of cesium plays critical role on adsorption chemical reaction. This interpretation is consistent with several experimental results. These results give fundamental information about microscopic adsorption reaction of cesium adsorption by micaceous clay minerals.