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西塔 祐稀*; 石渡 翔丸*; 堀内 美里*; 西木 悠人*; 菊池 亮佑*; 大竹 翼*; 川喜田 竜平; 高山 裕介; 三ツ井 誠一郎; 佐藤 努*
資源・素材講演集(インターネット), 11(1), 7 Pages, 2024/03
地下を利用した様々な工学技術(地層処分、地下貯留、石油増進回収等)において、人工バリアや岩盤のセメンテーションが注目されている。しかし、どのような鉱物でどのようにセメンテーションが進行して、どのような物性に変化するのかについての理解は不十分である。それらの理解のためには、実験室でセメンテーションを再現すること、セメンテーション後の構造の変化や物性の変化を詳細に調べることが重要となる。そこで本研究では、難透水性のベントナイト(乾燥密度0.6Mg/m
)と、Na
SiO
溶液を用いて70
Cで浸漬および通水実験を行い、その後の内部構造、鉱物組成、透水係数の変化等を調べた。走査電子顕微鏡での観察結果から、浸漬および通水実験ともに、ベントナイトの空隙を埋めるようにナトリウムシリケート水和物(NSHあるいはNASH)が確認された。また、通水実験では、通水時間が長くなるにつれて透水係数の低下が認められた。本研究で示されたセメンテーション法やセメンテーション後の物性変化の詳細な検討法は、セメントとともに地下に設置されるベントナイトの物性変化や、貯留岩へのアルカリ攻法による帽岩への影響を調べる上で有用なものになると考えられる。
- and K-montmorillonite川喜田 竜平; 齋藤 彬人*; 佐久間 博*; 安楽 総太郎; 菊池 亮佑*; 大竹 翼*; 佐藤 努*
Applied Clay Science, 231, p.106722_1 - 106722_7, 2023/01
被引用回数：2 パーセンタイル：26.10(Chemistry, Physical)Montmorillonite (Mt) expansion and swelling are key factors for barrier performance of bentonite in trans-uranic (TRU) and high-level radioactive waste disposals. In the case of co-located geological disposal of TRU waste with high level waste, ammonium ion (NH
) which is changed from nitrate ion leached from TRU waste has possibility to contact with bentonite, exchange interlayer cation of Mt to form NH-Mt, and deteriorate its performance. Because of similar hydration energy of NH to K, NH-Mt could have lower expandability or change to non-expandable mineral as reported on K-Mt. Therefore, expansion and alteration behaviors of NH-Mt, especially comparison to the behaviors of K-Mt, are necessary to understand for safety assessment of the waste disposal. In this study, the hydration behavior of NH-Mt was investigated by XRD and molecular dynamics (MD) simulation in comparison with K-Mt. XRD profiles under Relative Humidity (RH) control showed that expansion of NH-Mt was similar to that of K-Mt at more than RH40% with slightly different d-values. However, expansion of NH-Mt kept at lower than RH20%, while K-Mt easily dehydrate at the same RH. MD simulation revealed that hydrogen bonding (HB) in NH molecules causes the difference in hydration behavior between NH- and K-Mt, as HB cause larger basal spacing at dehydrated state and easier hydration. This gap on hydration may attribute the difference in alteration to non-expandable minerals after dehydration, indicating that NH have lower possibility for alternation and smaller effect on barrier performance of bentonite than K.
C及び60Cにおける水酸化カリウム水溶液によるモンモリロナイトの変質上田 麻衣*; 中林 亮*; 木嶋 達也*; 佐藤 努*; 米田 哲朗*; 大竹 翼*; 小田 治恵
no journal, ,
モンモリロナイトを主要鉱物とするベントナイトは放射性廃棄物の地層処分における緩衝材として用いられる。KOHやNaOHを含む高アルカリ性のセメント反応水によってモンモリロナイトの変質が生じ、緩衝材に適したベントナイトの特性にも影響が及ぶ可能性がある。本研究では、Kが豊富な高アルカリ性環境下ではモンモリロナイトの変質過程の一つとしてイライト化が懸念されるため、KOH水溶液中でのモンモリロナイトのイライト化を調べることとし、35C及び60Cでのバッチ式反応実験を最大270日まで行った。反応後の試料の分析には、X線回折(XRD)分析及び原子間力顕微鏡(AFM)観察を用いた。XRD分析結果からイライト/スメクタイト混合層鉱物の生成及び層電荷の上昇が認められ、イライト化が示唆された。また、AFM観察結果からは、分散粒子の厚みの増加と粒子径の減少が明らかにされ、イライト化がモンモリロナイトの溶解と同時に進行したことが示唆された。
石渡 翔丸*; 菊池 亮佑*; 大竹 翼*; 佐藤 努*; 川喜田 竜平; 高山 裕介; 三ツ井 誠一郎
no journal, ,
高レベル放射性廃棄物の地層処分で緩衝材として用いられるベントナイトは、長期的には変質して本来求められるバリア機能が低下する可能性が指摘されている。ベントナイトの変質の一つであるセメンテーションによって緩衝材の膨潤圧の低下といった影響が生じることが指摘されているが、セメンテーションによる膨潤圧低下の根本的なメカニズムの解明にまでは至っていない。こうしたメカニズムの理解には、セメンテーションを引き起こす物質の特定だけでなく、セメンテーションによる岩石組織の変化への理解が不可欠である。本研究では、セメンテーションのナチュラルアナログとして、山形県大江町の月布鉱山の複数のベントナイト層から採取した原鉱石に対し、微細な組織の観察と膨潤圧試験を行い、セメンテーションの要因と膨潤圧との関係について考察を行った。乾式研磨法によりベントナイトの薄片試料を作製し、セメンテーションされたベントナイト原鉱石の微細な組織の観察を行った。走査型電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、火山灰に元から含まれる粗大な石英や斜長石のほか、モンモリロナイトのマトリクス上に自生と思われる数
mほどの微細なシリカ鉱物が普遍的に分布している様子が確認された。透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてさらに詳細に観察したところ、微細なシリカ鉱物は石英やアモルファスシリカなどであり、モンモリロナイト端面に微細なシリカ鉱物が固着している箇所が確認された。こうした鉱物組織が原鉱石の膨潤圧の低下の要因として考えられた。さらに、このような組織は、複数のベントナイト層から採取した試料すべてで確認された一方で、モンモリロナイトと微細なシリカ鉱物の量比は試料によって大きく異なり、試料ごとにセメンテーションの程度に違いがあることを明らかにした。このような程度の違いが膨潤圧の低下量に影響を及ぼす可能性が示唆された。
中林 亮*; Elakneswaran, Y.*; 佐藤 努*; 大竹 翼*; 小田 治恵; 米田 哲朗*; 金子 勝比古*
no journal, ,
本研究の目的は、ベントナイトと高アルカリ性水溶液との相互作用を捉えるためのX線CTによる微小構造解析法を開発し、その結果を用いてモンモリロナイトの溶解速度に及ぼす圧密の影響を調べることである。そこで、80Cで0.3M-NaOH水溶液を通水させたベントナイト変質実験(実験期間180日)を行い、X線CTによるその場解析を実施した。この結果、本実験条件ではモンモリロナイトの顕著な溶解は生ぜず、一方、二次鉱物が経時的に生成することをX線CT観察で確認した。また、画像解析によって二次鉱物生成量を定量化することができた。また、分散系で得られているモンモリロナイト溶解速度を用いた地球化学モデルでは、本実験結果を再現することができないが、有効反応表面積と飽和度影響を考慮することによって再現することができた。本研究は、分散系と圧密系とでは、モンモリロナイトの有効反応表面積や溶解速度に与える飽和度影響が異なることを示唆する。
菊池 亮佑*; 藤村 竜也*; 佐藤 努*; 大竹 翼*; 大友 陽子*; 後藤 考裕*; 鈴木 覚*; 谷口 直樹; 鈴木 宏幸*
no journal, ,
In this study, corrosion products in the bentonite in contact with carbon steel coupon under anaerobic artificial seawater at 80 degree for 3 years was investigated using microscopic analysis (SEM, EPMA and FIB-TEM). Corrosion products in compacted bentonite near the interface with carbon steel were identified as Ca-rich siderite, low-crystalline Fe-silicate and montmorillonite with Fe-enriched octahedral sheet. The low-crystalline Fe-silicate was estimated to be a ferrous iron-silicate-hydrate (F-S-H) with an Fe/Si composition of ~1.3 and a structural similarity to a 2:1 type clay with interlayer Na and Ca cations, not the non-swelling 7angstrom phases (greenalite, berthierine and cronstedtite) reported in the literature. The siderite and F-S-H formation were observed over a distance approximately 150 micrometers or less from the interface. The dense formation of siderite and F-S-H at the carbon steel-bentonite interface could suppress the migration of Fe in bentonite and limit the transformation of montmorillonite to 7 angstroms. Unlike previous Fe-clay studies in systems with large reaction surface areas of Fe sources, the experimental system in the present study with a smaller reaction surface area suggests that the decrease in buffer performance is suppressed. Based on thermodynamic calculation, the competition between siderite and F-S-H formation was found to be essentially governed by the pH change near the interface, but an improved database for F-S-H may be needed for more accurate predictions of its formation. The formation of porous F-S-H with large specific surface area in the bentonite interstitial should also be considered in predicting the interaction of electroactive radionuclides such as U and Se, and their migration.
上田 麻衣*; 中林 亮*; 木嶋 達也*; 佐藤 努*; 米田 哲朗*; 大竹 翼*; 小田 治恵
no journal, ,
セメント由来の高アルカリ性条件におけるモンモリロナイトの変質は、低レベル放射性廃棄物の地層処分施設に使われるモンモリロナイトを主成分とするベントナイト緩衝材の長期性能に関する重要課題である。本研究では、35及び60Cの条件で、0-3.0MのKOH水溶液とモンモリロナイトのバッチ式反応実験を行い、KOHによるモンモリロナイトのイライト化の可能性を調べた。反応時間は最大270日である。反応後の固相について、X線回折分析(XRD)を用いた底面間隔測定及びアルキルアンモニウム法による層電荷測定、並びに原子間力顕微鏡観察(AFM)を実施し、イライト化について考察を行った。底面間隔測定結果からは、0.1M及び3.0Mでそれぞれ10及び35%のイライト化(不規則型混合層)したと算定されたが、判定に用いられたピーク強度がモンモリロナイトの溶解によって著しく低下していたため、イライト化率算定値には不確実性があった。一方、層電荷測定及びAFM観察からは明確なイライト化は示されなかった。これより、本実験条件ではイライト化を示す直接的な証拠はないと判断された。低い温度条件のKOH水溶液中では、モンモリロナイトのイライト化は溶解に比べて重要ではないと考えられる。
石渡 翔丸*; 菊池 亮佑*; 大竹 翼*; 佐藤 努*; 川喜田 竜平; 高山 裕介; 三ツ井 誠一郎
no journal, ,
高レベル放射性廃棄物の地層処分では、緩衝材として膨潤性粘土であるベントナイトの利用が考えられており、ベントナイトが膨潤することで低透水性を維持し、放射性核種の移行を抑制することなどが期待されている。しかし長期的には、ベントナイトが変質し、本来求められるバリア機能が低下することが懸念されている。想定される変質過程の一つに、二次鉱物が空隙に沈澱してモンモリロナイトに固着するセメンテーションがあり、セメンテーションされることでベントナイトの膨潤性が低下する可能性がある。そこで本研究では、セメンテーションされたベントナイトのアナログ試料としてベントナイト原鉱石を分析し、セメンテーションが膨潤圧に及ぼす影響を検討した。まず、SEMおよびEPMAで得られた結果を組み合わせて、鉱物の種類を区別してその分布を可視化する「鉱物マップ」を作成し、鉱物の含有割合、粒度分布、粒子どうしの距離といった岩石組織のパラメータを定量化した。続いて重回帰分析を行い、定量したパラメータと測定した膨潤圧の相関関係を検討した。その結果、膨潤圧はモンモリロナイト含有量が多いほど大きくなる一方で、マトリクス中の随伴鉱物の周囲長が長いほど小さくなる傾向が見られた。随伴鉱物の周囲長は、モンモリロナイトと随伴鉱物が固着した部分の面積の指標となるパラメータであり、二次鉱物の固着の程度がセメンテーションされたベントナイトの膨潤圧に影響する可能性が示唆された。
水溶液中におけるモンモリロナイトの溶解速度; pH及びC-S-H生成の影響木嶋 達也*; 中林 亮*; Elakneswaran, Y.*; 小田 治恵; 大竹 翼*; 佐藤 努*; 米田 哲朗*
no journal, ,
Ca-Cl-OH水溶液系におけるモンモリロナイト溶解速度のpH依存性を流動系溶解実験により確認した。pHやCa濃度の条件によっては二次生成物としてC-S-Hが生成することが認められ、C-S-Hの生成が認められた条件では、NaOH水溶液系でのモンモリロナイトの溶解速度と相違した。
