Effects of Exchangeable Cation Composition on the Thermal Expansion/Contraction of Clinoptilolite

Abstract

To understand and predict the effects of a thermal pulse induced by a radioactive waste repository on clinoptilolite-bearing rocks, the lattice parameters of 6 natural and 3 cation-exchanged (Ca, K, Na) clinoptilolites were studied as a function of temperature. The samples were examined at room temperature, under vacuum, and at 50°C increments to 300°C using a high-temperature X-ray powder diffractometer. The unit cell of all samples decreased in volume between 20° and 300°C Na-saturated clinoptilolite underwent the greatest volume decrease (8.4%) and K-saturated clinoptilolite the smallest (1.6%), of the clinoptilolites studied. The volume decrease for the Ca-saturated clinoptilolite was 3.6%. The highest percentage decrease for each sample was along the b axis, generally 80–90% of the total volume decrease. The change in the a axis was the smallest and was usually <5%, although 26.5% of the contraction of the Na-exchanged clinoptilolite was along a. The bulk of the volume contraction of many samples occurred on evacuation at room temperature, demonstrating that the observed changes were due to water loss and not to temperature-induced structural changes. Low-angle scattering was significantly reduced upon evacuation for every sample, and the 110 reflection of clinoptilolite at 7.45°2θ became obvious, whereas it was not in the untreated samples.

These data show that the effects of heating on the unit-cell volume of clinoptilolite depend strongly on the exchangeable cation content. Significant reductions in the unit-cell volumes of natural, mixed Na-K-Ca clinoptilolites could take place in rocks in a repository environment, particularly if the clinoptilolites occurred in unsaturated, dehydrated rock. The unit-cell volumes of clinoptilolites in partially saturated rocks at temperatures below 100°C, however, should not decrease significantly.

Резюме

Параметры решетки шести природных и трех катионо-обмененных (Са, K, Na) клиноп- тилолитов исследовались как функции температуры для лучшего объяснения и предсказания эффектов термального пульса, вызванного хранимыми отходами на породы, содержащие клиноптилолит. Образцы исследовались при комнатной температуре, в вакууме и при 50°С увеличениях температуры до 300°С при использовании высоко-температурного рентгеновского порошковего дифрактометра. В случае всех образцов элементарная ячейка уменьшалась по объему в диапазоне температур между 20° и 300°С; для Na-насыщенного клиноптилолита, уменьшение объема было самое большое (8,4%), а для К-насыщенного клиноптилолита—самое маленькое (1,6%) из всех исследованных клиноптилолитов. Уменьшение объема Са-насыщенного клиноптилолита было равно 3,6%. Самое большое процентное уменьшение для каждого образца происходило вдоль оси Ь, в основным составляло 80–90% полного уменьшения объема. Изменение вдоль оси а было самое маленькое и его величина была <5%, хотя 26,5% уменьшения Na-насыщенного клиноптилолита происходило вдоль оси а. Большинство случаев уменьшения объема многих образцов происходило во время обезвоживания при комнатной температуре указывая на то, что эти наблюдаемые изменения были результатом потери воды, а не температурного изменения структуры. Рассеяние по малой величине угла уменьшалось значительно после обезвоживания для каждого образца, и отражение от плоскости 100 клиноптилолита при 2θ равным 7,45° являлось тогда очевидным в противоположность необработанным образцам.

Эти данные указывают на то, что эффекты нагревания на объем элементарной ячейки клиноптилолита зависят сильно от содержания обмениваемого катиона. Значительные уменьшения объемов элементарных ячеек натуральных смешанных Na-K-Ca клиноптилолитов могут происходить в породах в условиях хранилища, особенно если клиноптилолиты находятся в ненасыщенной, дегидратированной породе. Однако, значения объема клиноптилолитов в частично насыщенных породах при температурах ниже 100°С не должны уменьшатся значительно. [E.G.]

Resümee

Um die Auswirkungen einer thermischen Beeinflussung, verursacht durch eine Lagerung radioaktiven Abfalls, auf Klinoptilolith-fiihrende Gesteine zu verstehen und vorauszusagen, wurden die Gitterparameter von 6 natürlichen und 3 kationenausgetauschten (Ca, K, Na)-Klinoptilolithen in Abhängigkeit von der Temperatur untersucht. Die Proben wurden bei Raumtemperatur unter Vakuum und bei einer Temperaturzunahme von 50°C auf 300°C untersucht, wobei ein Hochtemperatur-Röntgenpulverdiffraktometer verwendet wurde. Die Elementarzelle aller Proben zeigte zwischen 20° und 300°C jeine Volumensabnahme; Na-gesättigter Klinoptilolith zeigte die größte Abnahme (8,4%) und K-gesättigter Klinoptilolith die kleinste (1,6%) der untersuchten Klinoptilolithe. Die Volumensabnahme von Ca-gesättigtem Klinoptilolith war 3,6%. Die größte prozentuelle Abnahme war bei jeder Probe in Richtung der fi-Achse, im allgemeinen 80–90% der gesamten Volumensabnahme. Die Veränderung in Richtung der a-Achse war am kleinsten und betrug im allgemeinen <5%; obwohl 26,5% der Kontraktion bei Na-ausgetauschtem Klinoptilolith in Richtung a war. Der Hauptanteil der Volumensverminderung vieler Proben geschah während der Evakuierung bei Raumtemperatur, was daraufhindeutet, daß die beobachteten Veränderungen durch Wasserverlust verursacht werden und nicht durch Temperatur-bedingte strukturelle Veränderungen. Die Kleinwinkelstreuung wurde durch das Evakuieren bei jeder Probe beträchtlich verringert und der 110 Reflex von Klinoptilolith bei 7,45°2θ wurde sichtbar, was bei unbehandelten Proben nicht der Fall war.

Diese Ergebnisse zeigen, daß die Auswirkungen der Erwärmung auf das Volumen der Elementarzelle von Klinoptilolith sehr stark vom Gehalt an austauschbaren Kationen abhängt. Beachtliche Verkleinerungen des Elementarzellvolumens von natürlichen gemischten Na-K-Ca-Klinoptilolithen können in Gesteinen in der Umgebung von Ablagerungsplätzen stattfinden, vor allem wenn die Klinoptilolithe in einem ungesättigten, dehydratisierten Gestein auftreten. Die Volumen der Elementarzelle von Klinoptilolithen in teilweise gesättigten Gesteinen sollten jedoch bei Temperaturen unter 100°C nicht bemerkenswert abnehmen. [U.W.]

Résumé

Pour comprendre et prédire les effets d'une pulsation thermale induite par un répositoire de déchets radioactifs sur des roches contenant de la clinoptilolite, les paramètres de l’édifice cristallin de 6 clinoptilolites naturelles et 3 clinoptilolites à cations échangés (Ca, K, Na) ont été étudiés en fonction de la température. Les échantillons ont été examinés à température ambiante, sous le vide, et par accroissements de 50°C jusqu’à 300°C, utilisant un diffracto-mètre de rayons-X à haute température. La maille de tous les échantillons a diminué de volume entre 20° et 300°C; de toutes les clinoptilolites étudiées, le volume de la clinoptilolite saturée de Na a diminué le plus (8,4%), et celui de la clinoptilolite saturée de K a le moins diminué (1,6%). La diminution de volume de la clinoptilolite saturée de Ca était 3,6%. Le pourcentage de diminution le plus élevé pour chaque échantillon était le long de l'axe b, généralement de 80 à 90% de la diminution de volume totale. Le changement de l'axe a était le plus petit et d'habitude <5%, quoique 26,5% de la contraction de la clinoptilolite échangée avec Na était le long de l'axe a. La majorité de la contraction de volume de beaucoup d’échantillons s'est passée lors de l’évacuation à température ambiante, démontrant que les changements observés étaient dus à une perte d'eau et non à des changements structuraux induits par la température. L’éparpillement d'angles aigus était réduit de manière significative pour chaque échantillon et la réflection 110 de la clinoptilolite à 7,45°2θ est devenue évidente alors qu'elle ne l’était pas dans les échantillons non-traités.

Ces données montrent que les effets de réchauffement sur le volume de la maille de clinoptilolite dépendent fortement du contenu en cations échangeables. Des réductions significatives des volumes des mailles de clinoptilolites mélangées Na-K-Ca naturelles pourraient se passer dans les roches dans un environement de répositoire, particulièrement si les clinoptilolites se trouvaient dans de la roche déshydratée, nonsaturée. Les volumes des mailles dans des roches partiellement saturées à des températures en dessous de 100°C, cependant, ne devraient pas diminuer de manière significative. [D.J.]