The impact of groundwater chemistry on the stability of bentonite colloids

Sammanfattning: I det svenska djupförvaret för kärnbränsle ska kompakterad bentonit användas som barriär mellan kopparkapslar med utbränt kärnbränsle och berget. I kontakt med vattenförande sprickor kan bentonitbarriären under vissa omständigheter avge montmorillonitkolloider. Förutom att barriärens egenskaper urholkas pga förlusten av material kan kolloiderna, om de är stabila, underlätta transporten av sorberade radionuklider ut mot biosfären. Den här studien fokuserar på att undersöka vilka effekter grundvattenkemin har på montmorillonitkolloiders stabilitet. Grundvattnets sammansättning, pH och jonstyrka, kommer sannolikt att förändras under djupförvarets livslängd, delvis pga inträngandet av glactialt smältvatten. Initialt kommer omgivande berg att värmas upp pga värmealstring från det radioaktiva sönderfallet i det utbrända kärnbränslet. Effekterna av pH, jonstyrka och temperatur på montmorillonitkolloiders stabilitet har analyserats genom att följa hur kolloiderna aggregerar med tiden. Minskningen av partikelkoncentration med tiden mättes med Photon Correlation Spectroscopy (PCS). Aggregationsexperimenten visar att, vid ett givet pH och en given temperatur, ökar hastighetskonstanten för aggregation med ökande jonstyrka. Kritiska koaguleringskoncentrationen (CCC) för NaCl och CaCl2 för Na-montmorillonit och Ca-montmorillonit beräknas utifrån ett samband mellan hastighetskonstanterna och jonstyrkan. Hastighetskonstanten för aggregation minskar med ökande pH eftersom ytpotentialen ökar. Effekten blir tydligare vid högre jonstyrkor och högre temperaturer, men kan däremot inte observeras vid låga temperaturer. Temperatureffekten på bentonitkolloidernas stabilitet är pH-beroende. Vid pH≤4 ökar hastighetskonstanten för kolloidaggregation med ökande temperatur, oavsett jonstyrka.Vid pH≥10 minskar hastighetskonstanten med ökande temperatur. I mellanliggande pH-område minskar hastighetskonstanten för aggregation med ökande temperatur, förutom vid den högsta jonstyrkan, där den ökade. Beräkningar baserade på DLVO-teori matchar de experimentella resultaten.