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論文

Using natural systems evidence to test models of transformation of montmorillonite

Savage, D.*; Wilson, J.*; Benbow, S.*; 笹本 広; 小田 治恵; Walker, C.*; 川間 大介*; 舘 幸男

Applied Clay Science, 195, p.105741_1 - 105741_11, 2020/09

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Chemistry, Physical)

高レベル放射性廃棄物の地層処分において、粘土を主体とする緩衝材の長期的な安全機能は、モンモリロナイトが存在することによる高膨潤性と低透水性が維持されるかどうかに影響される。多くの場合、安全評価ではモンモリロナイトのイライト化(非膨潤性鉱物)への変質が懸念され、半経験的な速度論モデルによる評価が行われている。一方、近年、化学反応だけでなく、反応と輸送の2つの現象をカップリングしたモデルでの評価もなされている。本研究では、反応-輸送モデルでの評価を行い、既往の半経験的な速度論モデルによる評価と比較した。その結果、反応-輸送モデルでは、半経験的な速度論モデルに比べて、保守側の評価にはなるものの、天然の事例を再現するという観点では課題があることが示唆された。このため、地層処分におけるニファフィールドの長期変遷評価において、反応-輸送モデルを用いた評価を行う場合は、解析結果の解釈にあたり注意を要することが必要である。

論文

Adsorption mechanism of ReO$$_{4}$$$$^{-}$$ on Ni-Zn layered hydroxide salt and its application to removal of ReO$$_{4}$$$$^{-}$$ as a surrogate of TcO$$_{4}$$$$^{-}$$

田中 万也; 香西 直文; 山崎 信哉*; 大貫 敏彦; Kaplan, D. I.*; Grambow, B.

Applied Clay Science, 182, p.105282_1 - 105282_8, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Chemistry, Physical)

本研究では、様々な組成を持つ水溶液中でのNi-Zn層状物質への過レニウム酸イオン(過テクネチウム酸イオンのアナログ)の吸着実験を行った。吸着等温線をラングミュアプロットすることで最大吸着量を127.7mg/g (6.86$$times$$10$$^{-4}$$eq/g)と見積もった。Ni-Zn層状物質への過レニウム酸イオンの吸着は可逆プロセスであり、塩化物イオン, 硝酸イオン, 硫酸イオンなどの陰イオンが共存する系では吸着量が低下した。また、EXAFSスペクトル解析の結果、過レニウム酸イオンはNi-Zn層状物質の層間サイトに外圏錯体として静電的に吸着していることが明らかとなった。Ni-Zn層状物質は、これまで陰イオン除去にしばしば用いられてきたMg-Al複水酸化物に比べて共存する陰イオンの影響が小さい。このことから、Ni-Zn層状物質の方が汚染水中の過テクネチウム酸イオンの除去により適していると言える。

論文

Natural systems evidence for the effects of temperature and the activity of aqueous silica upon montmorillonite stability in clay barriers for the disposal of radioactive wastes

Savage, D.*; Wilson, J.*; Benbow, S.*; 笹本 広; 小田 治恵; Walker, C.*; 川間 大介*; 舘 幸男

Applied Clay Science, 179, p.105146_1 - 105146_10, 2019/10

 被引用回数:3 パーセンタイル:28.98(Chemistry, Physical)

本研究では、モンモリロナイトの安定性における温度及び溶液中のシリカ活量の影響に係る天然事例について評価を試みた。異なる熱力学データベースを用いた熱力学的モデルにより、モンモリロナイトの安定領域は、0$$sim$$140$$^{circ}$$Cの温度領域であると推測された。一方、溶液中のシリカ活量が低い場合、モンモリロナイトの安定領域の一部は、イライトが安定な領域に変わることも示唆された。また、日本の沖合におけるODPサイトで得られた堆積物中の間隙水や鉱物組成に係るデータでは、60$$^{circ}$$C程度の温度までは、モンモリロナイトと非晶質シリカが安定であるが、より高温の条件では、イライトと石英の組み合わせが安定であることも示唆された。一方、百万年を越えるような長期においても、80$$^{circ}$$Cよりも低温の条件では、スメクタイトの一種であるモンモリロナイトは、イライトに変換されないことも示唆された。

論文

3D-microstructure analysis of compacted Na- and Cs-montmorillonites with nanofocus X-ray computed tomography and correlation with macroscopic transport properties

高橋 宏明*; 舘 幸男

Applied Clay Science, 168, p.211 - 222, 2019/02

 被引用回数:4 パーセンタイル:18.95(Chemistry, Physical)

異なる膨潤特性をもつNa型及びCs型モンモリロナイトの微細構造と物質移行特性が、ナノフォーカスX線CTによる3次元微細構造分析と重水の拡散実験とを組み合わせて調査された。X線CT観察により、乾燥状態の圧縮Na型モンモリロナイトが飽和膨潤する過程で、連結性マクロ間隙はゲル相によって埋められ、粘土粒子のサイズは小さくなることが確認された。Cs型モンモリロナイトでは、それとは対照的に飽和過程でのゲル相の生成や粒子・間隙サイズの変化は認められなかった。X線CTによって評価された飽和Cs型モンモリロナイトの連結性マクロ間隙の屈曲度及び収れん度を含む幾何学因子は、重水の拡散試験から評価された値と整合した。Na型モンモリロナイトの場合、X線CTと拡散試験から導出された幾何学因子の差異が確認され、これは静電的相互作用による収れん度とX線CTの解像度では観察できないゲル相や層間間隙の屈曲度に起因するものと考えられた。

論文

Dynamic of organic species in organo-clay/polypropyrene composite by quesi-elastic neutron scattering

福嶋 喜章*; 山田 武*; 田村 堅志*; 柴田 薫

Applied Clay Science, 155, p.15 - 19, 2018/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:59.58(Chemistry, Physical)

ジオクタデシルジメチルアンモニウムイオン(DODA$$^{+}$$)/ポリプロピレン複合体のために交換されたフルオロマイカ(ME100)カチオンのダイナミクスは、XRDおよびDSC以外に準弾性中性子散乱(QENS)によって分析された。低いQ=2.75nm$$^{-1}$$のDODA-ME100のQENSスペクトルは、DODA$$^{+}$$の融点である445Kより高い温度でも変化しなかった。この結果は、硬質シリケート層とDODA$$^{+}$$とME100との間の強い静電相互作用のために、層間距離における長距離($$>$$2nm)の分子運動が制限されることを示唆している。弾性強度スキャンの結果は、445Kにおける溶融状態においても、複合体中のポリマー鎖の動きが少し制限されていることを示唆した。QENSは、複合材料を研究するための有用なツールの1つであることが期待される。

論文

Pore distribution of water-saturated compacted clay using NMR relaxometry and freezing temperature depression; Effects of density and salt concentration

大窪 貴洋*; 茨城 萌*; 舘 幸男; 岩舘 泰彦*

Applied Clay Science, 123, p.148 - 155, 2016/04

 被引用回数:12 パーセンタイル:33.47(Chemistry, Physical)

含水飽和圧縮粘土(3種類の塩濃度で含水飽和された密度0.8および1.4g/cm$$^{3}$$のNa型モンモリロナイト)中の間隙構造をNMR緩和法と凝固点降下法により評価した。4層状態までの層間水と層間外水との割合がそれぞれの緩和時間の閾値から計算された。低密度試料では、層間外水の割合が55%までの高い割合を示した。凝固点降下を利用した低温条件でのNMR測定の結果は、熱量測定から得られた約4nmのメソポアが、層間外水の閾値として評価された。凝固点降下とNMR緩和法で評価された層間外水の割合は、10%以内の差で一致した。-10$$^{circ}$$Cでの縦緩和時間($$T_{1}$$)と横緩和時間($$T_{2}$$)の相関性評価から、密度1.4g/cm$$^{3}$$の条件下においても、高い移動度をもつバルクに近い水分子が存在することが示唆された。

論文

Adsorption characteristics of Cs$$^{+}$$ on biogenic birnessite

笹木 圭子*; Yu, Q.; 桃木 大地*; 忰山 卓也*

Applied Clay Science, 101, p.23 - 29, 2014/11

 被引用回数:7 パーセンタイル:66.13(Chemistry, Physical)

Adsorption of Cs$$^{+}$$ on biogenic birnessite was investigated and compared with (ad)sorption of other heavy metals and also with (ad)sorption on chemically synthesized birnessite. The adsorption density of Cs$$^{+}$$ on biogenic birnessite was smaller than that on chemically synthesized birnessite; however, the (ad)sorption densities of Co$$^{2+}$$ and Ni$$^{2+}$$ on biogenic birnessite were larger than on chemically synthesized birnessite. These phenomena can be interpreted by considering the distinctive nano-structure of biogenic birnessite, which is not only poorly crystalline and includes organic matter but also according to EXAFS contains a greater proportion of vacant central metal sites than is found in synthetic birnessite. Adsorbed Cs$$^{+}$$ ions on both birnessites were mainly in the form of outer sphere complexes, which cannot easily occupy vacant central metal sites in biogenic birnessite. Biogenic birnessite has a greater specific surface area and more fine pores than synthetic birnessite, but these factors do not necessarily lead to more adsorption sites for Cs$$^{+}$$ ions.

論文

Na-montmorillonite dissolution rate determined by varying the Gibbs free energy of reaction in a dispersed system and its application to a coagulated system in 0.3M NaOH solution at 70$$^{circ}$$C

小田 治恵; Walker, C.; 千野 大輔*; 市毛 悟; 本田 明; 佐藤 努*; 米田 哲朗*

Applied Clay Science, 93-94, p.62 - 71, 2014/05

 被引用回数:4 パーセンタイル:79.78(Chemistry, Physical)

pH12, 70$$^{circ}$$Cの0.3M NaOH水溶液中におけるNaモンモリロナイトの溶解速度について、フロースルー式実験とバッチ式実験とを組合せて調べた。フロースルー式実験ではSiとAlの濃度を変化させた分散系で行い、Naモンモリロナイト溶解速度を溶解反応のギブス自由エネルギー(dGr)の非線形関数として求めた。この溶解速度式を用いてバッチ式実験のシミュレーションを行い、溶解速度式のdGrがより高くなる凝集系への適用性と、凝集系で生じる二次鉱物生成が及ぼす溶解速度への影響を調べた。シミュレーションはNaモンモリロナイト溶解量や溶液中のSiとAlの濃度の実験結果をよく再現することができた。本研究によって、分散系で求めた溶解速度式が、より高いdGrの領域にある凝集系に適用可能であることと、バッチ系での溶液中のSiとAlの濃度がアナルサイムの沈殿によってコントロールされたことを示した。

論文

Reversibility and modeling of adsorption behavior of cesium ions on colloidal montmorillonite particles

飯島 和毅; 戸村 努*; 庄司 芳之*

Applied Clay Science, 49(3), p.262 - 268, 2010/06

 被引用回数:24 パーセンタイル:33.21(Chemistry, Physical)

モンモリロナイトコロイドに対するCsの収着及び脱離挙動を調べた。イオン交換・表面錯体モデルにより、Csの収着及び脱離挙動を良好に再現することができた。0.005Mより高いCs濃度で処理されたベントナイトは、Csの層間への固定につながると考えられる層間距離の減少が認められた。本研究では、Cs濃度が0.0001Mより低いので、モンモリロナイトコロイドへのCs収着は可逆であると考えられた。

論文

Impacts of thermo-hydro-mechanical experiments on the microbial activity in compacted bentonite at the Kamaishi Mine, northeast Japan

青木 和弘; 杉田 裕; 千々松 正和*; 田崎 和江*

Applied Clay Science, 47(1-2), p.147 - 154, 2010/01

 被引用回数:2 パーセンタイル:90.14(Chemistry, Physical)

岩手県の釜石鉱山においてベントナイト及び周辺岩盤(花崗閃緑岩)における微生物活動を調査した。母岩に関して、花崗閃緑岩の深部地下水の細菌及び可視微生物の全菌数が算出できた。また、硫酸還元菌,脱窒菌の存在も確認された。緩衝材の原位置での性能を試験する人工バリア試験という熱-水-応力連成試験を実施した。加熱フェーズ後と冷却フェーズ後にベントナイトのサンプルを取得し、天然の微生物が模擬処分環境で存在するか微生物分析を行った。試験の結果、従属栄養生物が存在するものの、含水比の小さいヒーターの周辺のベントナイト中では存在しないことが確認された。これは、処分後の廃棄体の温度が高い期間の廃棄体周辺では微生物の活動が極端に制限されることを示している。このような知見は、高レベル放射性廃棄物地層処分における微生物の影響の評価に有用である。

論文

Natural systems evidence for the alteration of clay under alkaline conditions; An Example from Searles Lake, California

Savage, D.*; Benbow, S.*; Watson, C.*; 高瀬 博康*; 小野 香理*; 小田 治恵; 本田 明

Applied Clay Science, 47(1-2), p.72 - 81, 2010/01

 被引用回数:26 パーセンタイル:30.18(Chemistry, Physical)

サールズレーク(カリフォルニア州の湖)では、300万年の期間、アルカリ性の条件(pH9からpH10)でスメクタイトを含む泥岩が変質を被ってきた。300万年間に渡る堆積に伴う湖底面の上昇を取り入れながら、この自然事象のシミュレーションを実施した。さらに、シミュレーションでは、過去300万年間の水質の変化,高塩濃度に対応するためのPitzerモデル,堆積後の泥岩の圧密をモデル化して取り込んだ。スメクタイトの溶解速度式としては、スメクタイトの平衡からの離れ具合を反映した2種類の溶解速度式、地下水中のSiの濃度に依存した溶解速度式1種類の合計3種類の溶解速度式を適用した。その結果、サールズレークの現在のスメクタイトの残存量は"Cama-TST"モデルによって最もよく再現された。

論文

Effects of the orientation of smectite particles and ionic strength on diffusion and activation enthalpies of I- and Cs+ ions in compacted smectite

佐藤 治夫

Applied Clay Science, 29, p.267 - 281, 2005/00

 被引用回数:22 パーセンタイル:36.65(Chemistry, Physical)

本研究では、I-及びCs+イオンに対する拡散係数及び活性化エネルギーの異方性とイオン強度の影響を調べ、間隙水化学がイオンの拡散移行経路や微細間隙構造に及ぼす影響について議論した。拡散係数と活性化エネルギーに対するイオン強度、ベントナイト乾燥密度、粘土粒子の配向方向に対する影響が異なり、乾燥密度やイオン強度の変化に伴って層間距離や積層体間の外部間隙が変化することを併せると、I-イオンは主として外部間隙を、Cs+イオンは層間と外部間隙の両方を拡散移行し、イオン電荷に依存して拡散移行経路が異なると考えられた。

論文

Dissolution of montmorillonite in compacted bentonite by highly alkaline aqueous solutions and diffusivity of hydroxide ions

中山 真一; 坂本 好文; 山口 徹治; 赤井 政信; 田中 忠夫; 佐藤 努*; 飯田 芳久

Applied Clay Science, 27(1-2), p.53 - 65, 2004/10

 被引用回数:54 パーセンタイル:15.63(Chemistry, Physical)

放射性廃棄物処分場で用いられるセメントに起因する高アルカリ環境は、ベントナイト系緩衝材の主要鉱物であるモンモリロナイトを変質させ、これが緩衝材の長期性能を劣化させる可能性が指摘されている。緩衝材に最も期待される性能の一つである止水性能に及ぼすアルカリ環境の影響を定量的に予測するために、圧密成型したベントナイト-砂混合中におけるアルカリ(水酸化物イオン)の拡散及びアルカリ水によるモンモリロナイトの溶解に関する実験を行った。溶解実験はpH 13$$sim$$14,温度90$$sim$$170$$^{circ}$$Cで行い、変質速度の時間依存性及び温度依存性を得た。また、拡散実験は、変質の影響を排除して拡散現象だけを観察できるように、10$$sim$$50$$^{circ}$$Cの低温で行い、10$$^{-10}$$$$sim$$10$$^{-11}$$m$$^{2}$$/sの値を得た。これらのデータは今後長期予測のためにモデルが開発される、化学反応-物質輸送連成解析に用いられる。

論文

Diffusion Behaviour of Selenite and Hydroselenide in Compacted Bentonite

佐藤 治夫

Applied Clay Science, 26, p.47 - 55, 2004/00

 被引用回数:24 パーセンタイル:34.51(Chemistry, Physical)

Seを対象として、還元条件でのベントナイト中の見掛けの拡散係数(Da)を、乾燥密度1.6mg/m3、ケイ砂混合率、温度をパラメータに取得した。還元条件で取得されたHSe-のDaは、ケイ砂混合率の増加及び温度の上昇に伴い増加した。また、低酸素条件で得られたSeO32-のdaより1桁程小さい値であり、還元条件においては遅延されることが分かった。この原因は、化学種の違いによってベントナイトへの収着特性がが異なったためと考えられる。またdaは、スメクタイト部分密度と良い相関が見られた。このことはseの拡散がスメクタイト部分の特性に支配されることを示している。さらにHSe‐のDaの活性化エネルギー($$Delta$$Ea)及び相対部分モル$$Delta$$Eaを求めた。$$Delta$$Eaは17$$sim$$32kj/molの範囲と、hs-の水中の拡散係数の$$Delta$$Eaよりやや高めであるのに対し、相対部分モル$$Delta$$eaは-16.2$$sim$$-2.2kj/mol

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