The Effect of iron on montmorillonite stability, 1; Background and thermodynamic considerations

モンモリロナイトの安定性に及ぼす鉄の影響,1; 背景と熱力学的考察

Wilson, J.*; Savage, D.*; Cuadros, J.*; 柴田 雅博 ; Ragnarsdottir, K. V.*

Wilson, J.*; Savage, D.*; Cuadros, J.*; Shibata, Masahiro; Ragnarsdottir, K. V.*

高レベル放射性廃棄物の地層処分システムでは、鉄とベントナイトが接触するが、ベントナイトの構成粘土鉱物であるモンモリロナイトと、鉄の腐食生成物とが反応することにより、非膨張性のFe-層状ケイ酸やFe-スメクタイトが生成されることが示唆されている。モンモリロナイトが非膨張性の鉱物に変化すると、ベントナイトに期待されている膨潤特性が低減し期待される性能が低下することが懸念されている。この論文では、熱力学モデルを用いて、鉄とベントナイトの接触境界における、Fe-層状ケイ酸塩の安定性を論じる。このために、AlO-FeO-FeO-MgO-NaO-SiO-HOの系からなる活量図を用い、単純化した組成の鉄に富む粘土鉱物の熱力学的特性の推定を行った。その結果foがマグネタイト-ヘマタイト平衡よりも十分小さく、溶液がマグネタイトに対して過飽和状態の条件では、Feサポナイトが安定な変質生成物となる。Feサポナイトは膨張性を有することから、モンモリロナイトの変質は処分システムに悪影響は及ぼさない可能性がある。一方、foがマグネタイト-ヘマタイト平衡よりも大きく、溶液がマグネタイトに飽和であると仮定すると、非膨張性のバーチェリンが安定となる。この場合には、処分システムの性能に影響を及ぼす可能性がある。

In some geological repository designs, steel canister and bentonite backfill are placed in contact. Some previous studies indicate that the montmorillonite component of the backfill could react with steel corrosion products to produce non-swelling Fe-rich phyllosilicates (e.g. chamosite, berthierine) or Fe-rich smectite. If montmorillonite were altered to non-swelling minerals, the expected swelling capacity of the bentonite backfill could be reduced. This paper discuss Fe-rich phyllosilicate mineral stability at the canister-backfill interface using thermodynamic modelling. Estimates of thermodynamic properties were made for Fe-rich clay minerals in order to construct approximate phase-relations for end-member/simplified mineral compositions in activity space. The diagrams (for the system AlO-FeO-FeO-MgO-NaO-SiO-HO) suggest that if pore waters are supersaturated with magnetite, Fe(II)-rich saponite is the most likely alteration product (if fo values are significantly lower than magnetite-hematite equilibrium). Therefore, the alteration of montmorillonite may not be detrimental to HLW repositories that include Fe, as long as the swelling behaviour of the Fe-rich smectite produced is maintained. If fo exceeds magnetite-hematite equilibrium, and solutions are saturated with magnetite, berthierine is likely to be more stable than smectite minerals. The alteration of montmorillonite to berthierine could be detrimental to the performance of the repositories.