Publications Repository - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf


Natural and synthetic plagioclases: Surface charge characterization and sorption of trivalent Ln and An

Lessing, J.; Neumann, J.; Bezzina, J. P.; Bok, F.; Lützenkirchen, J.; Brendler, V.; Stumpf, T.; Schmidt, M.

Das Wissen über den Transport von Radionukliden in der Umwelt ist essenziell zur Beur-teilung der Sicherheit eines radioaktiven Endlagers. Einen globalen Konsens bildet zurzeit die tiefengeologische Lagerung, da diese verspricht den Abfall über geologische Zeiträume von der Biosphäre zu isolieren. In einigen Ländern, u. a. Deutschland wird Kristallingestein, welches sich neben Quarz und Glimmern vorwiegend aus Feldspäten zusammensetzt, als mögliches Wirtsgestein für ein tiefengeologisches Endlager betrachtet. Deshalb ist es von enormer Bedeutung, die Rückhaltung der dreiwertigen minoren Actinide (Cm, Am), welche über Jahrtausende die Radiotoxizität im Endlager dominieren an Feldspäte zu verstehen. In dieser Studie wurden speziell Ca-Feldspäte betrachtet, da deren Retentionsverhalten noch nicht ausreichend untersucht wurde, aber Unterschiede in Kristallstruktur und Gitterladung im Vergleich zum besser untersuchten K-Feldspat auftreten.
Zunächst wurden Zetapotenzial-Messungen von Ca-Feldspäten mit verschiedenen Ca-Anteilen durchgeführt. Sie zeigen einen ungewöhnlichen Anstieg der Oberflächenladung bei pH 4 – 7, wobei der Anstieg des Zetapotenzials mit steigender Ca-Konzentration im Kris-tallgitter des Feldspats zunimmt. Dies wird durch die Sorption von Ca2+ und AlDas Wissen über den Transport von Radionukliden in der Umwelt ist essenziell zur Beur-teilung der Sicherheit eines radioaktiven Endlagers. Einen globalen Konsens bildet zurzeit die tiefengeologische Lagerung, da diese verspricht den Abfall über geologische Zeiträume von der Biosphäre zu isolieren. In einigen Ländern, u. a. Deutschland wird Kristallingestein, welches sich neben Quarz und Glimmern vorwiegend aus Feldspäten zusammensetzt, als mögliches Wirtsgestein für ein tiefengeologisches Endlager betrachtet. Deshalb ist es von enormer Bedeutung, die Rückhaltung der dreiwertigen minoren Actinide (Cm, Am), welche über Jahrtausende die Radiotoxizität im Endlager dominieren an Feldspäte zu verstehen. In dieser Studie wurden speziell Ca-Feldspäte betrachtet, da deren Retentionsverhalten noch nicht ausreichend untersucht wurde, aber Unterschiede in Kristallstruktur und Gitterladung im Vergleich zum besser untersuchten K-Feldspat auftreten.
Zunächst wurden Zetapotenzial-Messungen von Ca-Feldspäten mit verschiedenen Ca-Anteilen durchgeführt. Sie zeigen einen ungewöhnlichen Anstieg der Oberflächenladung bei pH 4 – 7, wobei der Anstieg des Zetapotenzials mit steigender Ca-Konzentration im Kris-tallgitter des Feldspats zunimmt. Dies wird durch die Sorption von Ca2+ und Al3+ und/oder Ausfällung einer Al-Phase verursacht.[1]
Im Vergleich zum K-Feldspat treten nur geringe Unterschiede im Rückhaltevermögen und in der Oberflächenspeziation auf. Ca-Feldspäte zeigen ein leicht höheres Rückhaltevermö-gen gegenüber dreiwertigen Metallionen. Ein innersphärischer (IS) Oberflächenkomplex so-wie dessen zwei Hydrolyseformen wurden an beiden Mineralen identifiziert, allerdings tritt die Hydrolyse des IS-Komplexes an Ca-Feldspäten bereits bei niedrigeren pH-Werten auf.[1,2]
Batchsorptionsdaten und spektroskopische Informationen wurden schließlich kombiniert, um ein Oberflächenkomplexierungsmodell zu entwickeln und die Bildungskonstanten der drei Oberflächenkomplexe zu bestimmen (log K0 = -8,37; -10,81 bzw. -16,35). Diese Werte un-terscheiden sich nur unwesentlich von den Werten für K-Feldspat. [1,2]
Die gewonnenen Daten stehen für Transportsimulationen für die Sicherheitsbeurteilung eines potenziellen Endlagers für radioaktiven Abfall zur Verfügung.
und/oder Ausfällung einer Al-Phase verursacht.[1]
Im Vergleich zum K-Feldspat treten nur geringe Unterschiede im Rückhaltevermögen und in der Oberflächenspeziation auf. Ca-Feldspäte zeigen ein leicht höheres Rückhaltevermö-gen gegenüber dreiwertigen Metallionen. Ein innersphärischer (IS) Oberflächenkomplex so-wie dessen zwei Hydrolyseformen wurden an beiden Mineralen identifiziert, allerdings tritt die Hydrolyse des IS-Komplexes an Ca-Feldspäten bereits bei niedrigeren pH-Werten auf.[1,2]
Batchsorptionsdaten und spektroskopische Informationen wurden schließlich kombiniert, um ein Oberflächenkomplexierungsmodell zu entwickeln und die Bildungskonstanten der drei Oberflächenkomplexe zu bestimmen (log K0 = -8,37; -10,81 bzw. -16,35). Diese Werte un-terscheiden sich nur unwesentlich von den Werten für K-Feldspat. [1,2]
Die gewonnenen Daten stehen für Transportsimulationen für die Sicherheitsbeurteilung eines potenziellen Endlagers für radioaktiven Abfall zur Verfügung.
Referenzen:
[1] Neumann and Lessing et al., in preparation. [2] J. Neumann et al., J. Colloid Interface Sci., 2021, 591, 490–499.

Keywords: Plagioclases; surface chemistry; actinides; lanthanides

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    Jahrestagung der FG Nuklearchemie 2022, 04.-06.10.2022, Bergisch Gladbach, Deutschland

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-35584
Publ.-Id: 35584