Synchrotron X-ray Scattering and Monte Carlo Simulations of Structure and Forces in Silicate Nanoplatelet Dispersions

Detta är en avhandling från Lund University, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Theoretical Chemistry

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Lera-vatten-systemet finns i stort sett överallt i vår omgivning. Syftet med denna avhandling är att identifiera och undersöka egenskaper hos leror som är av betydelse för deras inbördes växelverkan. Leror är sammansatta av två eller tre molekylära lager och får därför en relativt komplex fördelning av elektrostatiska laddningar. Denna fördelning förändras med olika betingelser i lösningen, salthalt och pH. Många länder planerar ett djupförvar med flera skyddsbarriärer för använt kärnbränsle. I det svenska djupförvaret för kärnbränsle ska kompakterad Wyoming-bentonit (MX80) användas som barriär mellan kopparkapslar med utbränt kärnbränsle och berget. Bentonit väljs på grund av sin kompakta mikrostruktur samt stora svällningsförmåga. Därför är det intressant att beskriva svällningen och det osmotiska trycket för leran då den står i jämvikt med en vattenfas som innehåller en blandning av, mono- och divalenta motjoner. Arbetet i denna avhandling omfattar experimentella och teoretiska studier av svällning i leror, dialys-metoder och olika former av struktur-mätningar mha röntgen-synkrotronljus, elektronmikroskop (cryo-TEM), dynamiskljusspridning (DLS) och kärnmagnetresonans (NMR). Enkla modeller har visat sig användbara för att teoretiskt beskriva leran. Dessa och experimentella metoder har använts för att belysa strukturen hos både lera och en lera i jämvikt med en bulklösning av given saltsammansättning. Simuleringarna förutsäger en kraftig svällning hos leror vars motjoner domineras av mono-valenta joner såsom Na(+) i god överensstämmelse med dialysexperiment. För leror med divalenta motjoner förutsägs en mycket begränsad svällning - ungefär ett 1 nm tjockt vattenlager mellan lerskikten. Detta motsäges av dialysexperiment som visa större svällning. Man kan observera aggregation av flera partiklar till en större partikel, sk tactoid. Lågvinkelröntgenspektroskopi (SAXS) har använts för att bestämma avstånden mellan lerskikten och den visar något förvånande att vattenlagret i kalciumleror är just 1 nm, helt i överensstämmelse med simuleringar. Slutsatsen är att leror med divalenta motjoner (kalcium/magnesium montmorillonit), sväller enligt två mekanismer: en intralamellär och en extralamellär svällning. Den förra kan vi förstå både kvalitativt och kvantitativt, men den senare är beroende av partikel storleken i lera-vatten-systemet. Avhandlingen beskriver hur storleksfördelning av lerflak styr bildandet av tactoider.

  KLICKA HÄR FÖR ATT SE AVHANDLINGEN I FULLTEXT. (PDF-format)