Thermodynamic modeling and sensitivity analysis of porewater chemistry in compacted bentonite

圧縮ベントナイト中の間隙水組成に関する熱力学モデルと感度解析

Ochs, M.*; Lothenbach, B.*; 柴田 雅博 ; 油井 三和

Ochs, M.*; Lothenbach, B.*; Shibata, Masahiro; Yui, Mikazu

地層処分システムの人工バリアの一つである緩衝材として、圧縮ベントナイトの利用が検討されている。緩衝材への放射性核種の収着分配係数や、緩衝材中でのそれら拡散係数を導出するためには、圧縮ベントナイトの間隙水化学を適切に推定することが重要となる。本論文では間隙水化学に寄与する重要なパラメータについての感度解析について論じる。本論文の間隙水モデルでは、共存鉱物等の溶解、粘土鉱物のイオン交換、および表面錯体モデルによる粘土鉱物結晶端(SOHサイト)でのHの着脱を取り扱う。感度解析でのパラメータは、ベントナイトに共存する方解石、石膏、可溶性塩(NaCl)の溶解量、および二酸化炭素分圧とした。なお、いくつかの計算は空隙での電気二重層を考慮した。解析の結果、SOHサイトと炭酸の2つのpH緩衝システムが効果的に働いていることが示された。炭酸分圧が一定の場合には、間隙水のpHは主として炭酸バッファーで支配され、閉じた系として取り扱う場合にはSOHサイトの寄与がより重要となる。また、いずれのケースでも、共存鉱物/不純物の溶解は、イオン強度や炭酸濃度を介して、上記の反応に影響を及ぼす。なお、ベントナイト空隙に電気二重層を考慮すると、1200kg/m以上の乾燥密度では、すべての間隙の空間は拡散層で占められることとなり、自由な間隙水の空間はないことになる。

Compacted bentonite is foreseen as the buffer material in the engineered barrier system of the geological disposal system. To derive d values and diffusion coefficients of radionuclides for performance assessment, it is critical to be able to describe the chemistry of the pore solution and to understand how it is influenced by different factors. This paper presents a sensitivity analysis on the influence of important parameters on porewater chemistry in compacted bentonite. The principal parameters varied were the fractions of calcite, gypsum, and NaCl dissolving from bentonite, and pCO. Model calculations treated ion exchange reactions of smectite and protonation/deprotonation at the edge of smectite using the diffuse layer model. Some calculations consider electric double layer effects in the porespace. The model results show that two powerful pH buffer systems are operative in compacted bentonite: Amphoteric edge SOH sites and the carbonate buffer system. If pCO is imposed externally, the resulting porewater pH is mainly controlled by the carbonate buffer. If bentonite is treated as a closed system, the buffering action of the SOH sites becomes more important. In both cases, the dissolution of calcite and gypsum from the bentonite is important. If the development of an electric double layer in the bentonite pores is considered, entire porespace may be occupied with diffuse layers, leaving no space for free porewater, at higher dry densities (1200 kg/m).