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報告書

分子動力学法によるNa型スメクタイトの層間水の振動スペクトルの研究

鈴木 覚; 河村 雄行*

JNC-TN8400 2001-005, 41 Pages, 2001/04

JNC-TN8400-2001-005.pdf:1.1MB

水-粘土混合系の分子動力学計算によりNa型スメクタイトの層間水の振動スペクトルと層間水の構造の関係について研究した。得られた計算結果は、赤外分光法によるスメクタイトの層間水の観察結果とよい一致を示した。水分子の分子内振動スペクトルは水素原子の速度自己相関関数をフーリエ変換することにより得られる。層間水の伸縮振動スペクトルには、3400cm-1に最大強度を持つ幅の広いピークと3650-3700cm-1周辺のやや鋭いピークにより構成される。前者の幅広いピークはバルク水のような水分子のO-H結合の伸縮振動に帰属され、一方、後者のピークはシロキサン表面に水素結合により配向したO-H結合に帰属される。酸素-酸素間の動径分布関数より水素結合距離を評価したところ、水分子とシロキサン表面の水素結合距離(3.0$$AA$$以上)は、水分子-水分子間のそれ(2.8$$AA$$)よりも大きいことがわかった。これらの結果は、水分子とシロキサン表面間の相互作用は、水分子を配向させる程度には大きいが、水分子-水分子間と比べると弱いということを示していると考えられる。

報告書

ベントナイト間隙水のラマン分光測定

鈴木 覚; 間中 光雄; 森田 光男*

JNC-TN8400 2000-020, 25 Pages, 2000/04

JNC-TN8400-2000-020.pdf:0.94MB

高レベル放射性廃棄物の地層処分における多重バリアシステムで、圧縮ベントナイトには放射性核種の移行遅延効果が求められており、そのメカニズムの解明が急務である。圧縮ベントナイト中の放射性核種は、構成鉱物の粒子間間隙水や粘土鉱物(モンモリロナイト)の層間水を主な移行経路として拡散する。ベントナイト中の核種の見かけの拡散係数の活性化エネルギーが自由水中のそれに比べて高いという報告があり、これは間隙水や層間水の構造・粘性が自由水とは異なるためであると考えられている。この研究では、含水したベントナイトについてラマン分光測定を行ない、自由水とベントナイトの間隙水の構造の違いについて検討した。クニピアF(モンモリロナイト含有率98$$sim$$99重量%、クニミネ工業)とイオン交換水を任意の含水率(98$$sim$$75重量%)で混合した。混合物を超音波洗浄機で振とうした後、2ヶ月程度静置し、イオン交換水混合試料について5条件(含水率98、95、90、80、75重量%)およびNaCl水溶液混合試料について2条件(80、75重量%)についてラマン分光測定を行なった。また、あわせてイオン交換水、0.5M NaCl水溶液および乾燥状態のクニピアF(相対湿度25RH%)の測定も行なった。ラマン測定は反射モードで行ない、測定時の温度は室温で24$$sim$$26$$^{circ}C$$であった。測定の際には試料からの蛍光の低減に注意したが、除去できなかった蛍光についてはベースライン補正を行ない、2400$$sim$$4000cm-1の領域でラマンスペクトルを得た。イオン交換水は約3250、3400、3630cm-1にラマン散乱の極大ピークを持ち、3400cm-1のピーク強度が相対的に大きい。複数のピークの存在は、水分子間の複数の水素結合状態があることを示しており、低い波数のピークほど強い水素結合に帰属される。含水したベントナイトのラマンスペクトルは約3200$$sim$$3250、3400、3630cm-1にピークがあり、含水率の低下に伴い、3400cm-1に比べ3200$$sim$$3250cm-1のピークが相対的に増加している。また、乾燥したクニピアFのスペクトル(dry)は層間水によるもので、3150cm-1のピークが著しく大きい。NaCl水溶液を含水させた試料でも、含水率の低下に伴う、3250cm-1のピークの相対的な増加が認められた。これらのピークは、イオン交換水と同様に

報告書

圧縮ベントナイト中のイオンの拡散に関する研究

大橋 弘士*; 佐藤 正和*; 小崎 完*

PNC-TJ1600 98-001, 43 Pages, 1998/02

PNC-TJ1600-98-001.pdf:0.94MB

高レベル放射性廃棄物の地層処分のための基礎研究として、圧縮ベントナイト中のイオンの拡散に関する研究を行った。圧密し水で飽和したNa型モンモリロナイト試料の底面間隔をX線回析によって求めた。乾燥密度1.0$$sim$$1.3Mgm-3の試料では層間に3水分子層のみが、乾燥密度1.6Mgm-3以上の試料では層間に2水分子層のみが認められたのに対し、乾燥密度1.4および1.5Mgm-3の試料では層間に2および3水分子層の両方が認められた。また、乾燥密度0.9Mgm-3以下の試料では、3水分子以下の層間は認められなかった。一方、試料の含水率から平均の層間距離を推定し、X線回析によって求めた値と比較した。その結果、低乾燥密度では層間に3水分子層以上の水を含んだ比較的大きな空間あるいは細孔が存在しうるのに対し、高乾燥密度ではほとんどの水が層間にあると考えられた。Na+、Sr2+、Cs+、Cl-イオンの見かけの拡散係数を決定した。細孔拡散モデルに従って、得られたCl-イオンの見かけの拡散係数からモンモリナイト試料の形状因子を、Na+、Sr2+、Cs+イオンの見かけの拡散係数から収着係数をそれぞれ求めた。各イオンの収着係数は異なった乾燥密度依存性を示し、この原因として間隙水中以外の拡散の寄与が考えられた。見かけの拡散係数の温度依存性より求めた拡散の活性化エネルギーは、各イオンとも高乾燥密度試料において低乾燥密度試料より大きな値を示すとともに、一部を除いて自由水中のイオンの拡散の活性化エネルギーと異なった値となった。また、それらの乾燥密度依存性は、乾燥密度1.4Mgm-3を境に差が認められた。このような活性化エネルギーの変化は、間隙水中のイオン濃度の変化、収着エネルギーの変化では説明できないものであり、乾燥密度の増加とともに拡散プロセスが変化していることに起因する可能性が高いと考えられる。特に、高乾燥密度試料中の陽イオンの拡散では、細孔拡散よりはモンモリロナイト外表面あるいは層間の拡散が支配的であることが強く示唆された。

論文

中性子線回折によるスメクタイトの構造解析

佐藤 努

スメクタイト研究会会報, 7(2), p.39 - 41, 1997/00

放射線廃棄物処分研究では、粘土鉱物を含む土壌・岩石中の物質移動を定量的に理解する必要がある。そのためには、組織や間隙の構造、さらには層間を含めた各構造内に含有する水の構造と特性を把握しなければならない。本文献紹介では、中性子線回折を使って上記の問題解決に取り組んだ研究論文を紹介し、得られているデータや見解をまとめた。

論文

粘土鉱物の水和と吸着水の構造

佐藤 努

鉱物学雑誌, 25(3), p.99 - 110, 1996/07

地球表層での水による物質の分野、移動、貯留現象の把握と変化の予測のためには、地殻構成物質である鉱物と水の相互作用を明らかにする必要がある。特に、表面積の大きい粘土鉱物は、水の主要経路となりうる鉱物界面や亀裂面を覆うように存在するので、上記の現象に大きな影響を与える。したがって、粘土鉱物中の水の物質や粘土鉱物-水相互作用を明らかにすることは、地球化学や廃棄物工学にとって第一級のテーマである。本解説では、粘土鉱物の水和や粘土鉱物中の吸着水の静的・動的構造について、溶液化学で取り扱うような自由水との相違点が明確になるように、現在まで得られた知見をまとめた。また、上記現象を理論的に取り扱う上での問題点と今後期待される研究の発展方向について示唆し、この分野のさらなる研究の必要性を説いた。

論文

粘土鉱物の吸着水のコンピュータシミュレーション

佐藤 努

SMECTITE, 6(1), p.45 - 48, 1996/00

放射性廃棄物処分の安全性研究では、地球表層での水による物質の分解、移動、貯留現象の把握と変化の予測が要求されている。そのためには、代表的な地殻構成物質である粘土鉱物と水の相互作用や粘土鉱物中の水の性質を明らかにする必要がある。本文献紹介では、粘土鉱物の吸着水のコンピュータシミュレーションに関する研究や書籍を紹介し、得られたデータや著者の見解をまとめるとともに、筆者の考えるコンピュータシミュレーションによる解析の問題点を指摘した。

論文

スメクタイトによるウラニルイオンの収着

佐藤 努

SMECTITE, 6(2), p.33 - 36, 1996/00

廃棄物処分の安全性研究では、処分場から漏洩する重金属や放射性核種、およびその化合物と環境構成物質との相互作用を明らかにする必要がある。特に、それらの長期挙動を把握するためには、収着サイトと収着形態に関する理解が不可欠である。本文献紹介では、代表的な地殻構成物質であり、各種の廃棄物処分場に緩衝材として設置予定のスメクタイトとウラニルイオンの相互作用に関する研究を紹介し、ウラニルの収着サイトに関して現在までに得られている知見をまとめた。また、先行研究で得られた結果を比較する際に注意しなければならない点や困難点に関して筆者の考えるところを記述した。

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