Structural transformation of zinc in metakaolin-based potassium-geopolymer as revealed by X-ray absorption spectroscopy

X線吸収分光法により明らかにしたメタカオリン系カリウムジオポリマー中における亜鉛の構造変化

Prihutami, P.*; 戸田 加奈子*; Chaerun, R. I.; 大矢 裕介*; 菊池 亮佑*; 大竹 翼*; 佐藤 努*; 齋藤 拓巳*

Prihutami, P.*; Toda, Kanako*; Chaerun, R. I.; Oya, Yusuke*; Kikuchi, Ryosuke*; Otake, Tsubasa*; Sato, Tsutomu*; Saito, Takumi*

亜鉛(Zn)のジオポリマー中における固定化機構については、初期状態および変質後のいずれも報告例が限られており、固化廃棄物の長期安定性を予測する上で課題となっている。本研究では、X線吸収分光法(XAS)を用いて、メタカオリン系カリウムジオポリマー中のZnの局所構造と固定化機構を調べた。Zn含有ジオポリマーは、メタカオリン、塩化亜鉛(ZnCl)溶液、ケイ酸カリウム、および水酸化カリウムを混合して作製し、40Cおよび25Cで合計48時間養生した後、脱イオン水中で最大90日間の浸出試験に供した。Znの浸出率は0.14%にとどまり、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、および塩化物(Cl)の放出も限定的であった。固相分析により、浸出後も主要なジオポリマー骨格が保持されることが確認された。XAS解析の結果、初期状態のZnは酸素(O)に四面体配位し、SiまたはAl四面体と頂点共有していた。一方、浸出後には八面体配位へ変化し、八面体配位Alを含むブルーサイト様共沈相を形成した。これらの結果は、変質条件下でもZnが系内に保持される一方で、その局所構造が変化することを示している。

Limited understanding of zinc (Zn) immobilization in altered geopolymers limits prediction of waste-form durability. This study examined the local structure and retention mechanism of Zn in a metakaolin-based potassium geopolymer by X-ray absorption spectroscopy (XAS). Zn-bearing samples were prepared from metakaolin, zinc chloride (ZnCl) solution, potassium silicate, and potassium hydroxide, cured at 40C and 25C for 48 h, and leached in deionized water for up to 90 days. Zn release was only 0.14%, with limited Al, Si, and Cl release. The main geopolymer framework was preserved after leaching. XAS showed that Zn was initially tetrahedrally coordinated with oxygen and linked to Si or Al tetrahedra. After leaching, Zn changed to octahedral coordination and formed a brucite-like Al-bearing co-precipitate, indicating strong Zn retention despite local structural alteration.