Hydrothermal Effects on Cesium Sorption and Fixation by Clay Minerals and Shales

Abstract

The effects of hydrothermal conditions on the sorption and fixation of cesium by various clay minerals and shales were investigated. Hydrothermal heating, which may be expected in a radioactive waste repository, altered the clay minerals and shales and led to a decrease in their cation-exchange capacity. Cesium sorption greatly decreased in micaceous vermiculite and in well-crystallized illites containing vermiculite upon hydrothermal treatment at 400°C and 300 bars pressure due to complete layer collapse. However, poorly crystallized illites heated as above showed either a small increase or only a slight decrease in Cs sorption because of partial layer collapse. These studies show that the decrease in Cs sorption is greater in well-crysallized illites than in poorly crystallized illites when treated similarly under hydrothermal conditions. Hydrothermal heating of Cs-sorbed and Cs-saturated samples increased the amount of Cs fixation in all minerals and shales as a result of collapse of the layers. For example, a sample of the Conasauga shale fixed only 18% of sorbed Cs before treatment but fixed 47% after hydrothermal treatment at 200°C and 300 bars pressure. Thus, hydrothermal conditions in a shale repository may be beneficial after leaked radioactive Cs ions are taken up by clay minerals in shales.

Резюме

Изучалось воздействие гидротермических условий на сорбцию и фиксцию цезия разными глинистыми минералами и сланцами. Гидротермическое нагревание, которое можно ожидать в хранилище радиоактивных отходов, изменяло глинистые материалы и сланцы и привело к понижению их катионной обменной способности. При гидротермической обработке при 400°С и давлении 300 бар благодаря полному разрушению слоев резко понизилась сорбция цезия в слюдистом вермикулите и в хорошо кристаллизованных иллитах, содержащих вермикулит. Однако, плохо кристализованные иллиты, нагретые в тех же условиях, показали или незначительное повышение, или славое понижение в сорбции Сs из-за частичного разрушения слоев. Эти исследования показывают, что в хорошо кристаллизованных иллитах понижение сорбции Сs значительнее, чем в плохо кристаллизованных иллитах при аналогичной обработке в гидротермических условиях. Гидротермическое нагревание сорбированных и насыщенных Сs образцов увеличило количество фиксированного Сs во всех минералах и сланцах, как следствие разрушения слоев. Например, образец Конасуговского сланца зафиксировал перед обработкой только 18% сорбированного Сs, но зафиксировал 47% после гидротермической обработки при 200°С и давлении 300 бар. Таким образом, гидротермические условия в сланцевом хранилище могут быть благоприятными, поскольку после утечки радиоактивных ионов Сs они впитываются глинистыми минералами в сланцах. [N. R.]

Resümee

Die Auswirkungen hydrothermaler Bedingungen auf die Adsorption und Fixierung von Cäsium an verschiedene Tonminerale und Tonschiefer wurden untersucht. Hydrothermales Erhitzen, wie man es in Lagergebieten für radioaktiven Abfall erwarten kann, verändert die Tonminerale und Tonschiefer und führt zu einer Abnahme ihrer Kationenaustauschkapazität. Wegen des Zusammenbrechens der Schichten verringert sich die Adsorption von Cäsium im glimmerigen Vermiculit und in gut kristallisierten Illiten, die Vermiculit bis zu einer hydrothermalen Behandlung auf 400°C bei 300 bar enthalten. Schlecht kristallisierter Illit, der ebenso erhitzt wurde, zeigte jedoch aufgrund des teilweisen Zusammenbrechens der Schichten entweder eine geringe Zunahme oder eine geringe Abnahme in der Cs-Adsorption. Diese Untersuchungen zeigen, daß die Abnahme der Cs-Adsorption bei gut kristallisierten Illiten größer ist als bei schlecht kristallisierten, wenn sie auf ähnliche Weise unter hydrothermalen Bedingungen behandelt wurden. Hydrothermales Erhitzen von Cs-adsorbierten und Cs-gesättigten Proben vergrößert die Menge des fixierten Cäsium in allen Mineralen und Tonschiefern, bedingt durch das Zusammenbrechen von Schichten. So bindet z.B. eine Probe des Conasauga Tonschiefers vor der Behandlung nur 18% des adsorbierten Cs, aber nach der hydrothermalen Behandlung auf 200°C und 300 bar wurden 47% gebunden. Aus diesem Grund könnten hydrothermale Bedingungen in einem Tonschiefer-Lager nützlich sein, nachdem radioaktive Cs-Ionen von den Tonmineralen im Tonschiefer aufgenommen wurden. [U.W.]

Résumé

Les effets des conditions hydrothermales sur la sorption et la fixation de césium par certains minéraux argileux et argiles shisteuses ont été étudiées. L’échauffement hydrothermal, auquel on peut s'attendre dans un repositoire de déchets radioactifs, a altéré les minéraux argileux et les argiles shisteuses et a mené à un amoindrissement de leur capacité d’échange d’électrons. La sorption de césium a beaucoup amoindri dans la vermiculite micacée et dans les illites bien cristallisées contenant de la vermiculite sous traitement hydrothermal à 400°C et 300 barres de pression à cause d'un affaissement de couche complet. Les illites pauvrement cristallisées cependant, échauffées comme ci-dessus, ont montré soit un leger accroissement ou seulement un petit amoindrissement de sorption de Cs à cause d'un affaissement de couche partiel. Ces études montrent que l'amoindrissement de sorption de Cs est plus fort dans les illites bien cristallisées que dans les illites pauvrement cristallisées lorsqu'elles sont traitées de la même manière sous des conditions hydrothermales. L’échauffement hydrothermal d’échantillons sorbes de Cs et saturés de Cs a augmenté la quantité de fixation de Cs dans tous les minéraux et dans les argiles shisteuses résultant de l'affaissement des couches. Un échantillon d'argile shisteuse de Conasauga, par exemple, n'a fixé que 18% du Cs sorbe avant le traitement, mais a fixé 47% après le traitement hydrothermal à 200°C et 300 barres de pression. Ainsi, les conditions hydrothermales peuvent bénéficier à un repositoire d'argile shisteuse après que des ions radioactifs de Cs échappés sont pris par les minéraux argileux des argiles shisteuses. [D. J.]