Speziation von Neptunium bei der Migration in Tongestein

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen eines Stipendiums des interdisziplinärenrnGraduiertenkollegs 826 „Spurenanalytik von Elementspezies: Methodenentwicklung und Anwendungen“, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und das Land Rheinland-Pfalz, angefertigt. Dabei sollten neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen Neptunium und natürlichem Tongestein mit Hinblick auf die Endlagerung wärmeentwickelnder radioaktiver Abfälle in einem geologischen Tiefenlager gewonnen werden. Auf Grund seiner langen Halbwertszeit von mehr als zwei Millionen Jahren wird Np-237 einen signifikanten Anteil an der Radiotoxizität dieser Abfälle nach Lagerzeiten von mehr als 1000 Jahren haben. Np tritt in Lösung unter umweltrelevanten Bedingungen in den Oxidationsstufen +IV und +V auf. Auf Grund der guten Löslichkeit und daher höheren Mobilität ist Np(V) als die gefährlichere Spezies einzustufen. In den Migrationsstudien wurdernOpalinuston (OPA) aus Mont Terri, Schweiz, als natürliches Referenzmaterial verwendet. Der Fokus dieser Arbeit lag dabei auf der Speziation von Np an der Mineraloberfläche mittels synchrotronbasierter Röntgenabsorptionsspektroskopie (EXAFS/XANES).rnDie Wechselwirkung zwischen Np(V) und OPA wurde zunächst in Batch- und Diffusionsexperimenten in Abhängigkeit verschiedener experimenteller Parameter (u.a. pH, Temperatur, Hintergrundelektrolyt, Einfluss von Huminsäure, Konkurrenz mit U(VI), aerobe/anaerobe Bedingungen) untersucht. Die Untersuchung der Np-Speziation erfolgt zum einen an Pulverproben aus Batch-Experimenten unter aeroben und anaeroben Bedingungen, welche mittels EXAFS-Spektroskopie untersucht wurden. Zum anderen wurden ortsaufgelöste μ-XANES-Messungen an Np-Anreicherungen auf OPA-Dünnschliffen und in Diffusionsproben durchgeführt. Durch Kombination der Spektroskopie mit μ-Rötngenfluoreszenzmapping (XRF) und μ-Röntgenbeugung (XRD) konnten zudem Erkenntnisse über die Elementverteilung von Np und anderen im Opalinuston enthaltenen Elementen sowie über kristalline Mineralphasen im Umfeld von Bereichen erhöhter Np-Konzentration erhalten werden.rnSowohl Sorptionsexperimente als auch die spektroskopischen Untersuchungen zeigten eine teilweise Reduktion von Np(V) zu Np(IV) bei der Wechselwirkung mit OPA. Dabei konnte Pyrit als eine der redoxaktiven Phasen identifiziert werden. In diesem Zusammenhang ist die Bildung schwerlöslicher Np(IV)-Spezies mit Hinblick auf die Endlagerung positiv zu bewerten.

Diffusion-driven transport in clayrock formations

Clay mineral-rich sedimentary formations are currently under investigation to evaluate their potential use as host formations for installation of deep underground disposal facilities for radioactive waste (e.g. Boom Clay (BE), Opalinus Clay (CH), Callovo-Oxfordian argillite (FR)). The ultimate safety of the corresponding repository concepts depends largely on the capacity of the host formation to limit the flux towards the biosphere of radionuclides (RN) contained in the waste to acceptably low levels. Data for diffusion-driven transfer in these formations shows extreme differences in the measured or modelled behaviour for various radionuclides, e. g. between halogen RN (Cl-36, I-129) and actinides (U-238,U-235, Np-237, Th-232, etc.), which result from major differences between RN of the effects on transport of two phenomena: diffusion and sorption. This paper describes recent research aimed at improving understanding of these two phenomena, focusing on the results of studies carried out during the EC Funmig IP on clayrocks from the above three formations and from the Boda formation (HU). Project results regarding phenomena governing water, cation and anion distribution and mobility in the pore volumes influenced by the negatively-charged surfaces of clay minerals show a convergence of the modelling results for behaviour at the molecular scale and descriptions based on electrical double layer models. Transport models exist which couple ion distribution relative to the clay-solution interface and differentiated diffusive characteristics. These codes are able to reproduce the main trends in behaviour observed experimentally, e.g. D-e(anion) < D-e(HTO) < D-e(cation) and D-e(anion) variations as a function of ionic strength and material density. These trends are also well-explained by models of transport through ideal porous matrices made up of a charged surface material. Experimental validation of these models is good as regards monovalent alkaline cations, in progress for divalent electrostatically-interacting cations (e.g. Sr2+) and still relatively poor for 'strongly sorbing', high K-d cations. Funmig results have clarified understanding of how clayrock mineral composition, and the corresponding organisation of mineral grain assemblages and their associated porosity, can affect mobile solute (anions, HTO) diffusion at different scales (mm to geological formation). In particular, advances made in the capacity to map clayrock mineral grain-porosity organisation at high resolution provide additional elements for understanding diffusion anisotropy and for relating diffusion characteristics measured at different scales. On the other hand, the results of studies focusing on evaluating the potential effects of heterogeneity on mobile species diffusion at the formation scale tend to show that there is a minimal effect when compared to a homogeneous property model. Finally, the results of a natural tracer-based study carried out on the Opalinus Clay formation increase confidence in the use of diffusion parameters measured on laboratory scale samples for predicting diffusion over geological time-space scales. Much effort was placed on improving understanding of coupled sorption-diffusion phenomena for sorbing cations in clayrocks. Results regarding sorption equilibrium in dispersed and compacted materials for weakly to moderately sorbing cations (Sr2+, Cs+, Co2+) tend to show that the same sorption model probably holds in both systems. It was not possible to demonstrate this for highly sorbing elements such as Eu(III) because of the extremely long times needed to reach equilibrium conditions, but there does not seem to be any clear reason why such elements should not have similar behaviour. Diffusion experiments carried out with Sr2+, Cs+ and Eu(III) on all of the clayrocks gave mixed results and tend to show that coupled diffusion-sorption migration is much more complex than expected, leading generally to greater mobility than that predicted by coupling a batch-determined K-d and Ficks law based on the diffusion behaviour of HTO. If the K-d measured on equivalent dispersed systems holds as was shown to be the case for Sr, Cs (and probably Co) for Opalinus Clay, these results indicate that these cations have a D-e value higher than HTO (up to a factor of 10 for Cs+). Results are as yet very limited for very moderate to strongly sorbing species (e.g. Co(II), Eu(III), Cu(II)) because of their very slow transfer characteristics. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Modeling of non-isothermalvapor membrane separation with thermodynamic models and generalized mass transfer equations

A rigorous unit operation model is developed for vapor membrane separation. The new model is able to describe temperature, pressure, and concentration dependent permeation as wellreal fluid effects in vapor and gas separation with hydrocarbon selective rubbery polymeric membranes. The permeation through the membrane is described by a separate treatment of sorption and diffusion within the membrane. The chemical engineering thermodynamics is used to describe the equilibrium sorption of vapors and gases in rubbery membranes with equation of state models for polymeric systems. Also a new modification of the UNIFAC model is proposed for this purpose. Various thermodynamic models are extensively compared in order to verify the models' ability to predict and correlate experimental vapor-liquid equilibrium data. The penetrant transport through the selective layer of the membrane is described with the generalized Maxwell-Stefan equations, which are able to account for thebulk flux contribution as well as the diffusive coupling effect. A method is described to compute and correlate binary penetrant¿membrane diffusion coefficients from the experimental permeability coefficients at different temperatures and pressures. A fluid flow model for spiral-wound modules is derived from the conservation equation of mass, momentum, and energy. The conservation equations are presented in a discretized form by using the control volume approach. A combination of the permeation model and the fluid flow model yields the desired rigorous model for vapor membrane separation. The model is implemented into an inhouse process simulator and so vapor membrane separation may be evaluated as an integralpart of a process flowsheet.

Transport and distribution of lindane and simazine in a riverine environment: measurements in bed sediments and modelling

Aquatic sediments often remove hydrophobic contaminants from fresh waters. The subsequent distribution and concentration of contaminants in bed sediments determines their effect on benthic organisms and the risk of re-entry into the water and/or leaching to groundwater. This study examines the transport of simazine and lindane in aquatic bed sediments with the aim of understanding the processes that determine their depth distribution. Experiments in flume channels (water flow of 10 cm s(-1)) determined the persistence of the compounds in the absence of sediment with (a) de-ionised water and (b) a solution that had been in contact with river sediment. In further experiments with river bed sediments in light and dark conditions, measurements were made of the concentration of the compounds in the overlying water and the development of bacterial/algal biofilms and bioturbation activity. At the end of the experiments, concentrations in sediments and associated pore waters were determined in sections of the sediment at 1 mm resolution down to 5 mm and then at 10 mm resolution to 50 mm depth and these distributions analysed using a sorption-diffusion-degradation model. The fine resolution in the depth profile permitted the detection of a maximum in the concentration of the compounds in the pore water near the surface, whereas concentrations in the sediment increased to a maximum at the surface itself. Experimental distribution coefficients determined from the pore water and sediment concentrations indicated a gradient with depth that was partly explained by an increase in organic matter content and specific surface area of the solids near the interface. The modelling showed that degradation of lindane within the sediment was necessary to explain the concentration profiles, with the optimum agreement between the measured and theoretical profiles obtained with differential degradation in the oxic and anoxic zones. The compounds penetrated to a depth of 40-50 rum over a period of 42 days. (C) 2004 Society of Chemical Industry.

Equilibrium swelling measurements of network and semicrystalline polymers in supercritical carbon dioxide using high-pressure NMR

The extent of swelling of cross-linked poly(dimethylsiloxane) and linear low-density poly(ethylene) in supercritical CO2 has been investigated using high-pressure NMR spectroscopy and microscopy. Poly(dimethylsiloxane) was cross-linked to four different cross-link densities and swollen in supercritical CO2. The Flory-Huggins interaction parameter, x, was found to be 0.62 at 300 bar and 45 degrees C, indicating that supercritical CO2 is a relatively poor solvent compared to toluene or benzene. Linear low-density poly(ethylene) was shown to exhibit negligible swelling upon exposure to supercritical CO2 up to 300 bar. The effect Of CO2 pressure on the amorphous region of the poly(ethylene) was investigated by observing changes in the H-1 T-2 relaxation times of the polymer. These relaxation times decreased with increasing pressure, which was attributed to a decrease in mobility of the polymer chains as a result of compressive pressure.

Speziation von Plutonium bei der Sorption und Diffusion in Opalinuston

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des BMWi-Verbundprojektes Wechselwirkung und Transport von Aktiniden im natürlichen Tongestein unter Berücksichtigung von Huminstoffen und Tonorganika – Wechselwirkung von Neptunium und Plutonium mit natürlichem Tongestein“ durchgeführt. Um die langfristige Sicherheit der nuklearen Endlager beurteilen zu können, muss eine mögliche Migration der radiotoxischen Abfälle in die Umwelt betrachtet werden. Wegen seiner langen Halbwertszeit (24000 a) leistet Pu-239 einen wesentlichen Beitrag zur Radiotoxizität abgebrannter Kernbrennstoffe in einem Endlager. Das redox-sensitive Pu tritt in Lösung unter umweltrelevanten Bedingungen in den Oxidationsstufen +III bis +VI auf und kann nebeneinander in bis zu vier Oxidationsstufen vorliegen. Tonsteinformationen werden als mögliches Wirtsgestein für Endlager hoch-radioaktiver Abfälle betrachtet. Deshalb sind ausführliche Informationen zur Mobilisierung und Immobilisierung des Pu durch/in das Grundwasser aus einem Endlager von besonderer Bedeutung. In dieser Arbeit wurden neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen Pu und dem natürlichen Tongestein Opalinuston (OPA, Mont Terri, Schweiz) mit Hinblick auf die Endlagerung wärmeentwickelnder radioaktiver Abfälle in einem geologischen Tiefenlager gewonnen.rnDer Fokus der Arbeit lag dabei auf der Bestimmung der Speziation von Pu an der Mineraloberfläche nach Sorptions- und Diffusionsprozessen mittels verschiedener synchrotronbasierter Methoden (µ-XRF, µ-XANES/EXAFS, µ-XRD, XANES/EXAFS). rnDie Wechselwirkung zwischen Pu und OPA wurde zunächst in Batch- und Diffusionsexperimenten in Abhängigkeit verschiedener experimenteller Parameter (u.a. pH, Pu-Oxidationsstufe) untersucht. In Sorptionsexperimenten konnte gezeigt werden, dass einige Parameter (z.B. Temperatur, Huminsäure) einen deutlichen Einfluss auf die Sorption von Pu haben.rnDie Speziationsuntersuchungen wurden zum einen an Pulverproben aus Batchexperimenten und zum anderen an OPA-Dünnschliffen bzw. Diffusionsproben in Abhängigkeit verschiedener experimenteller Parameter durchgeführt. Die EXAFS-Messungen an der Pu LIII-Kante der Pulverproben ergaben, dass eine innersphäriche Sorption von Pu(IV) an Tongestein unabhängig von dem Ausgangsoxidationszustand des Plutoniums in Lösung stattgefunden hat. Durch die Kombination der ortsaufgelösten Methoden wurde erstmalig mittels μ-XRF die Verteilung von Pu und anderen in OPA enthaltenen Elementen bestimmt. µ-XANES-Spektren an Pu-Anreicherungen auf OPA-Dünnschliffen und in Diffusionsproben bestätigen, dass das weniger mobile Pu(IV) die dominierende Spezies nach den Sorptions- und Diffusionsprozessen ist. Darüber hinaus wurde zum ersten Mal ein Diffusionsprofil von Pu in OPA mittels µ-XRF gemessen. Die Speziationsuntersuchungen mittels μ-XANES zeigten, dass das eingesetzte Pu(V) entlang seines Diffusionspfades zunehmend zu Pu(IV) reduziert wird. Mit µ-XRD wurde Illit als dominierende Umgebung, in der Pu angereichert wurde, identifiziert und Siderit als eine redoxaktive Phase auftreten kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Sicherheit von OPA als Wirtsgestein eines Endlagers hoch-radioaktiver Abfälle positiv zu bewerten ist. rn

Study of the interactions of Neptunium with humic substances and the clay mineral montmorillonite by direct and non direct speciation methods

For the safety assessment of radioactive waste, the possibility of radionuclide migration has to be considered. Since Np (and also Th due to the long-lived 232-Th) will be responsible for the greatest amount of radioactivity one million years after discharge from the reactor, its (im)-mobilization in the geosphere is of great importance. Furthermore, the chemistry of Np(V) is quite similar (but not identical) to the chemistry of Pu(V). Three species of neptunium may be found in the near field of the waste disposal, but pentavalent neptunium is the most abundant species under a wide range of natural conditions. Within this work, the interaction of Np(V) with the clay mineral montmorillonite and melanodins (as model substances for humic acids) was studied. The sorption of neptunium onto gibbsite, a model clay for montmorillonite, was also investigated. The sorption of neptunium onto γ-alumina and montmorillonite was studied in a parallel doctoral work by S. Dierking. Neptunium is only found in ultra trace amounts in the environment. Therefore, sensitive and specific methods are needed for its determination. The sorption was determined by γ spectroscopy and LSC for the whole concentration range studied. In addition the combination of these techniques with ultrafiltration allowed the study of Np(V) complexation with melanoidins. Regrettably, the available speciation methods (e.g. CE-ICP-MS and EXAFS) are not capable to detect the environmentally relevant neptunium concentrations. Therefore, a combination of batch experiments and speciation analyses was performed. Further, the preparation of hybrid clay-based materials (HCM) montmorillonitemelanoidins for sorption studies was achieved. The formation of hybrid materials begins in the interlayers of the montmorillonite, and then the organic material spreads over the surface of the mineral. The sorption of Np onto HCM was studied at the environmentally relevant concentrations and the results obtained were compared with those predicted by the linear additive model by Samadfam. The sorption of neptunium onto gibbsite was studied in batch experiments and the sorption maximum determined at pH~8.5. The sorption isotherm pointed to the presence of strong and weak sorption sites in gibbsite. The Np speciation was studied by using EXAFS, which showed that the sorbed species was Np(V). The influence of M42 type melanodins on the sorption of Np(V) onto montmorillonite was also investigated at pH 7. The sorption of the melanoidins was affected by the order in which the components were added and by ionic strength. The sorption of Np was affected by ionic strength, pointing to outer sphere sorption, whereas the presence of increasing amounts of melanoidins had little influence on Np sorption.

Anwendung der CE-ICP-MS und RIMS sowie Entwicklung und Anwendung der CE-RIMS auf Umweltproben

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Verbundprojektes „Wechselwirkung und Transport von Actiniden im natürlichen Tongestein unter Berücksichtigung von Huminstoffen und Tonorganika – Wechselwirkung von Neptunium und Plutonium mit natürlichem Tongestein“ durchgeführt. Diese Untersuchungen sollen die thermodynamische Datenbasis für Actiniden erweitern sowie Informationen zur Ableitung von Bewertungskriterien für die Endlagerung radioaktiver Abfälle in Ton als Wirtsgestein, insbesondere über das Rückhaltevermögen von Tongestein gegenüber Radionukliden, liefern. Dabei stand die Anwendung verschiedener Speziationstechniken wie CE-ICP-MS, UV/VIS und die apparative Entwicklung der CE-RIMS im Vordergrund. Es sollte das Verhalten von Plutonium in umweltrelevanten Medien und Konzentrationen, im Ultraspurenbereich, untersucht werden. Unabhängig davon sollten Uranproben aus dem 2. Weltkrieg und Umweltproben des Landesamts für Umwelt und Forsten Rheinland-Pfalz auf ihren Plutoniumgehalt analysiert werden. Dazu wurde zunächst ein neues ICP-MS-Gerät Agilent 7500ce in Betrieb genommen und auf die Verwendung in Kombination mit der Kapillarelektrophorese optimiert. Die erreichte Nachweisgrenze für die vier Oxidationsstufen des Pu beträgt 0,05 ppb des gesamten Plutoniums in Lösung. Mit Hilfe der CE-ICP-MS wurde die Redoxstabilität einer Mischung aus verschiedenen Oxidationszuständen des Plutoniums in Opalinus-Ton-Porenwasser und Vergleichsmedien unter aeroben und anaeroben Bedingungen mit der CE untersucht. Die Untersuchungen zeigen das Pu(III) bis zu 40 min im verwendeten Elektrolytsystem stabil ist und dann oxidiert wird. In Porenwasser wurde als vorherrschende Spezies Pu(V) bestimmt. Die Redoxstabilität von Pu(VI) wurde untersucht, dabei wurde festgestellt, dass sich Pu(VI) bereits durch einfaches Verdünnen reduzieren lässt. Weiterhin wurden die Kd-Werte für die Sorption von Plutonium an Opalinuston unter aeroben und anaeroben Bedingungen für Pu(III) und Pu(IV) im System Porenwasser/Opalinuston von Kd(aerob) Pu(III) ≈ 53 m3/kg, Kd(aerob) Pu(IV) ≈ 14 m3/kg, Kd(anaerob) Pu(III) ≈ 114 m3/kg, Kd(anaerob) Pu(IV) ≈ 178 m3/kg bestimmt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war die Entwicklung, Optimierung und Anwendung der Kopplung CE-RIMS zur Speziation des Plutoniums im Ultraspurenbereich. Dies konnte erfolgreich in mehreren Schritten durchgeführt und an den Proben aus den Batchversuchen zur Kd-Wert Bestimmung angewandt werden. Der Memory-Effekt des an den Kapillarwänden sorbierenden Pu(IV) konnte mit der empfindlichen Kopplung CE-RIMS ebenfalls nachgewiesen werden.

Sorption and direct speciation of neptunium(V) on aluminium oxide and montmorillonite

This study comprised batch experiments, direct speciation studies via EXAFS, and modelling with the 2SPNE SC/CE model to elucidate the mechanisms of Np(V) sorption on montmorillonite and, for reference, on γ-Al2O3. The sorption of pM 239Np(V) and µM 237Np(V) on montmorillonite (STx-1, 4 g/L) and γ-Al2O3 (0.5 g/L) was studied at room temperature in the presence and absence of ambient CO2 covering a pH-range from 2.5 (STx-1) or 5 (γ-Al2O3) to 10.5 with 0.01 or 0.1M NaClO4 as background electrolyte. The Np(V) uptake was determined by γ spectroscopy of the supernatants and calculated as percentage as well as distribution coefficient Kd. Sorption starts from pH ~6 and, under exclusion of CO2, increases continuously, while, in the presence of ambient air, it reaches a maximum at pH ~8.5 (γ-Al2O3: log Kd max ≈ 4 mL/g; STx-1: log Kd max ≈ 2.7 mL/g). Beyond that it decreases again due to the formation of queous neptunium carbonate complexes. Furthermore, neptunium sorption on montmorillonite is influenced by ionic strength at pH <6 through ion exchange processes pointing towards the formation of outer-sphere surface complexes there. Isotherms measured at the sorption maximum showed the precipitation of resumably neptunium carbonate complexes above 3∙10^-5 M under ambient air conditions. Additionally, they indicated progressive saturation of the sorption sites of γ-Al2O3. At selected pH (STx-1: 5.0, 7.0, 8.0, 8.5, 9.0, 9.5; γ-Al2O3: 8.5, 9.5) EXAFS samples were prepared as wet pastes with µM 237Np and measured at room temperature in fluorescence mode at ANKA and ESRF. Several spectra were averaged and analysed with EXAFSPAK and FEFF 8.20 employing models of NaNpO2(CO3) or soddyite, (UO2)2SiO4∙2(H2O). The shorter atomic distances of the neptunyl ion at pH 5 compared to the others hinted at the retention of the hydration shell and, thus, at outer-sphere sorption. On average the bond lengths for Np(V) sorbed on STx-1 at high pH were Oax ≈ 1.84 Å and Oeq ≈ 2.53 Å. At high pH, ternary neptunyl carbonate surface complexes could be identified for montmorillonite (C ≈ 3.00 Å), but not for γ-Al2O3, where an interaction of neptunium with the aluminium surface atoms according to the soddyite model gave better agreement with the experimental data. However, neither structure as suggested by the two models could be excluded for both systems rendering a combination most likely. Modelling of the sorption data provided further evidence for the existence of ternary neptunium carbonate surface complexes in both cases. The results of this study can aid environmental risk assessment for clay-based nuclear waste repositories by providing valuable input data for simulations of radionuclide migration from a final disposal site.

Elementspeziation von Neptunium im Ultraspurenbereich

In der vorliegenden Arbeit wurde der Nachweis des Isotops Np-237 mit Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) entwickelt und optimiert. Bei RIMS werden Probenatome mehrstufig-resonant mit Laserstrahlung angeregt, ionisiert und anschließend massenspektrometrisch nachgewiesen. Die Bestimmung geeigneter Energiezustände für die Anregung und Ionisation von Np-237 erfolgte durch Resonanzionisationsspektroskopie (RIS), wobei über 300 bisher unbekannte Energieniveaus und autoionisierende Zustände von Np-237 identifiziert wurden. Mit in-source-RIMS wird für das Isotop eine Nachweisgrenze von 9E+5 Atome erreicht. rnrnDie Mobilität von Np in der Umwelt hängt stark von seiner Elementspeziation ab. Für Sicherheitsanalysen potentieller Endlagerstandorte werden daher Methoden benötigt, die Aussagen über die unter verschiedenen Bedingungen vorliegenden Neptuniumspezies ermöglichen. Hierzu wurde eine online-Kopplung aus Kapillarelektrophorese (CE) und ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry) genutzt, mit der die Np-Redoxspezies Np(IV) und Np(V) noch bei einer Konzentrationen von 1E-9 mol/L selektiv nachgewiesen werden können. Das Verfahren wurde eingesetzt, um die Wechselwirkung des Elements mit Opalinuston unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei Gegenwart von Fe(II) Np(V) zu Np(IV) reduziert wird und dieses am Tongestein sorbiert. Dies führt insgesamt zu einer deutlich erhöhten Sorption des Np am Ton.

Migration von Technetium in natürlichem Tongestein

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Verbundprojektes „Rückhaltung endlagerrelevanter Radionuklide im natürlichen Tongestein und salinaren Systemen“ (Förderkennzeichen: 02E10981), welches durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert wurde, angefertigt. Ziel war es, erstmals Erkenntnisse zur Wechselwirkung zwischen dem Spaltprodukt Technetium und einem natürlichen Tongestein im Hinblick auf ein Endlager für wärmeentwickelnde radioaktive Abfälle zu erlangen. Hierfür wurde der in der Nordschweiz vorkommende Opalinuston aus Mont Terri als Referenzmaterial verwendet. Das Nuklid Technetium-99 liefert auf Grund seiner langen Halbwertszeit einen signifikanten Beitrag zur Radiotoxizität abgebrannter Brennelemente für mehr als tausend Jahre. Im Falle einer Freisetzung aus den Lagerbehältern wird die Geochemie des Technetiums von seiner Oxidationsstufe bestimmt, wobei lediglich die Oxidationsstufen +IV und +VII von Relevanz sind. Auf Grund seiner hohen Löslichkeit und geringen Affinität zur Sorption an Oberflächen von Mineralien ist Tc(VII) die mobilste und somit auch gefährlichste Spezies. Entsprechend lag der Fokus dieser Arbeit auf Diffusionsexperimenten dieser mobilen Spezies sowie auf dem Einfluss von Eisen(II) auf die Mobilität und die Speziation des Technetiums.rnDie Wechselwirkung zwischen Technetium und Opalinuston wurde in Sorptions- und Diffusionsexperimenten unter Variation verschiedener Parameter (pH-Wert, Zusatz verschiedener Reduktionsmittel, Einfluss von Sauerstoff, Diffusionsweg) untersucht. Im Zuge dieser Arbeit wurden erstmals ortsaufgelöste Untersuchungen zur Speziation des Technetiums an Dünnschliffen und Bohrkernen durchgeführt. Dabei konnten ergänzend zur Speziation auch Informationen über die Elementverteilung und die kristallinen Mineralphasen nahe lokaler Anreicherungen des Radionuklides gewonnen werden. Zusätzlich erlaubten Untersuchungen an Pulverproben die Bestimmung der molekularen Struktur des Technetiums an der Tonoberfläche.rnSowohl die Kombination der oben aufgeführten Sorptionsexperimente mit spektroskopischen Untersuchungen als auch die Diffusionsexperimente zeigten unter Sauerstoffausschluss eine Reduktion von Tc(VII) zu immobilen Tc(IV)-Spezies. Weiterhin konnte die Bildung eines Tc(IV)-Sorptionskomplexes an der Tonoberfläche gezeigt werden. Im Hinblick auf ein Endlager in Tongestein sind diese Ergebnisse positiv zu bewerten.

Identifiability of diffusion and sorption parameters from in situ diffusion experiments by using simultaneously tracer dilution and claystone data

In situ diffusion experiments are performed in geological formations at underground research laboratories to overcome the limitations of laboratory diffusion experiments and investigate scale effects. Tracer concentrations are monitored at the injection interval during the experiment (dilution data) and measured from host rock samples around the injection interval at the end of the experiment (overcoring data). Diffusion and sorption parameters are derived from the inverse numerical modeling of the measured tracer data. The identifiability and the uncertainties of tritium and Na-22(+) diffusion and sorption parameters are studied here by synthetic experiments having the same characteristics as the in situ diffusion and retention (DR) experiment performed on Opalinus Clay. Contrary to previous identifiability analyses of in situ diffusion experiments, which used either dilution or overcoring data at approximate locations, our analysis of the parameter identifiability relies simultaneously on dilution and overcoring data, accounts for the actual position of the overcoring samples in the claystone, uses realistic values of the standard deviation of the measurement errors, relies on model identification criteria to select the most appropriate hypothesis about the existence of a borehole disturbed zone and addresses the effect of errors in the location of the sampling profiles. The simultaneous use of dilution and overcoring data provides accurate parameter estimates in the presence of measurement errors, allows the identification of the right hypothesis about the borehole disturbed zone and diminishes other model uncertainties such as those caused by errors in the volume of the circulation system and the effective diffusion coefficient of the filter. The proper interpretation of the experiment requires the right hypothesis about the borehole disturbed zone. A wrong assumption leads to large estimation errors. The use of model identification criteria helps in the selection of the best model. Small errors in the depth of the overcoring samples lead to large parameter estimation errors. Therefore, attention should be paid to minimize the errors in positioning the depth of the samples. The results of the identifiability analysis do not depend on the particular realization of random numbers. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Experimental Measurement of Water Diffusion through Fine Aggregate Mixtures

The water diffusion attributable to concentration gradients is among the main mechanisms of water transport into the asphalt mixture. The transport of small molecules through polymeric materials is a very complex process, and no single model provides a complete explanation because of the small molecule`s complex internal structure. The objective of this study was to experimentally determine the diffusion of water in different fine aggregate mixtures (FAM) using simple gravimetric sorption measurements. For the purposes of measuring the diffusivity of water, FAMs were regarded as a representative homogenous volume of the hot-mix asphalt (HMA). Fick`s second law is generally used to model diffusion driven by concentration gradients in different materials. The concept of the dual mode diffusion was investigated for FAM cylindrical samples. Although FAM samples have three components (asphalt binder, aggregates, and air voids), the dual mode was an attempt to represent the diffusion process by only two stages that occur simultaneously: (1) the water molecules are completely mobile, and (2) the water molecules are partially mobile. The combination of three asphalt binders and two aggregates selected from the Strategic Highway Research Program`s (SHRP) Materials Reference Library (MRL) were evaluated at room temperature [23.9 degrees C (75 degrees F)] and at 37.8 degrees C (100 degrees F). The results show that moisture uptake and diffusivity of water through FAM is dependent on the type of aggregate and asphalt binder. At room temperature, the rank order of diffusivity and moisture uptake for the three binders was the same regardless of the type of aggregate. However, this rank order changed at higher temperatures, suggesting that at elevated temperatures different binders may be undergoing a different level of change in the free volume. DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000190. (C) 2011 American Society of Civil Engineers.

Coalbed methane sorption related to coal composition

Gas sorption by coal is closely related to its physical and chemical properties, which are, in turn, governed by coal type and rank. The role of coal type (sensu maceral composition) is not fully established but it is clear that coal type may affect both adsorption capacity and desorption rate. Adsorption capacity is closely related to micropore (pores <2 nm) development, which is rank and maceral dependent. Adsorption isotherms indicate that in most cases bright (vitrinite-rich) coals have a greater adsorption capacity than their dull (often inertinite-rich) equivalents. However, no differences, or even the opposing trend, may be observed in relation to coal type. Desorption rate investigations have been performed using selected bright and dull coal samples in a high pressure microbalance. Interpretation of results using unipore spherical and bidisperse pore models indicate the importance of the pore structure. Bright, vitrinite-rich coals usually have the slowest desorption rates which is associated with their highly microporous structure. However, rapid desorption in bright coals may be related to development of extensive, unmineralised fracture systems. Both macro-and micro-pore systems are implicated in the more rapidly desorbing dull coals. Some dull, inertinite-rich coals may rapidly desorb due to a predominance of large, open cell lumina. Mineral matter is essentially nonadsorbent to coal gases and acts as a simple diluent. However, mineral-rich coals may be associated with more rapid desorption. Coal rank and type (maceral composition) per se do not appear to be the critical factors in controlling gas sorption, but rather the influence they exert over pore structure development. (C) 1998 Elsevier Science B.V.