Als Füllmaterial oder als Bestandteil technischer Barrieren in Endlagern von chemisch-toxischen oder radioaktiven Abfällen werden bestimmte Tonminerale verwendet bzw. in den Designstudien vorgeschlagen. Dabei sind vor allem drei Eigenschaften dieser Tone ausschlaggebend: Die geringe Wasserleitfähigkeit, das Quellvermögen bei Wasserzutritt und das Rückhaltevermögen für Kationen. Das wünschenswerte Rückhaltevermögen auch für Anionen fehlt bei naturbelassenen Tonen, kann aber durch Behandlung erzeugt werden, bei der die Zwischenschicht-Kationen der Tone durch bestimmte organische Kationen ersetzt werden. Dadurch entstehen sogenannte organophile Tone, die so eingestellt werden können, daß sie beide Ionenarten sorbieren können. Die entscheidenden Mechanismen dieser Sorptionsprozesse an organophilen Tonmineralen und die sich dabei ergebenden Strukturen des Tonminerals sind noch nicht vollständig bekannt. Ihre umfassende Kenntnis ist jedoch wichtig für die gezielte Optimierung ihrer Sorptionseigenschaften und ihrer Eignung zum Einsatz unter Endlagerungsbedingungen. Das Optimierungspotential liegt in der chemischen Struktur, Größe und Ladungsverteilung des organischen Kations sowie in der Wahl des Tonminerals. Zur Erlangung bisher fehlender Detailkenntnisse und zur Unterstützung der Optimierung soll daher in diesem Forschungsvorhaben eine Computersimulation des Organo-Ton-Systems auf der Basis der bisher gesammelten experimentellen Informationen entwickelt werden. Mit diesem Modell soll die Konsistenz des bisherigen Verständnisses der beteiligten Phänomene überprüft, geeignete Fragestellungen an das Experiment entwickelt und Optimierungsschritte durch Simulation ausgewählt werden.
The sorption of anions in geotechnical multibarrier systems of planned high level waste repositories (HLWR) and of non-ionic and organic pollutants in conventional waste disposals are in the center of recent research. In aquatic systems, persistent radionuclides such as 79Se, 99Tc, 129I exist in a form of anions. There is strongly increasing need to find materials with high sorption capacities for such pollutants. Specific requirements on barrier materials are long-term stability of adsorbent under various conditions such as T > 100 C, varying hydrostatic pressure, and the presence of competing ions. Organo-clays are capable to sorb high amounts of cations, anions and non-polar molecules simultaneously having selectivity for certain ions. This project is proposed to improve the understanding of sorption and desorption processes in organo-clays. Additionally, the modification of material properties under varying chemical and thermal conditions will be determined by performing diffusion and advection experiments. Changes by sorption and diffusion will be analyzed by determining surface charge and contact angles. Molecular simulations on models of organo-clays will be conducted in an accord with experiments with aim to understand and analyze experimental results. The computational part of the project will profit from the collaboration of German partner with the group in Vienna, which has a long standing experience in a modeling of clay minerals.
Wegen ihrer vorteilhaften physikalischen und chemischen Eigenschaften sollen Tonminerale in geotechnischen Barrieren von radioaktiven Endlagern eingesetzt werden. Unter anderem trägt die hohe Kationenaustauschkapazität zur Rückhaltung kationischer Radionuklide im Fall von Leckagen der Abfallgebinde bei. Allerdings haben naturbelassene Tone nur eine sehr geringe Fähigkeit, Anionen festzuhalten, so dass für anionische Radionuklide, wie das sehr langlebige I-129 (Halbwertszeit: 15,7 Mio. Jahre), die geotechnische Barriere nahezu unwirksam ist. Durch Austausch der anorganischen Zwischenschichtkationen gegen bestimmte organische Kationen können Tonminerale jedoch so verändert werden, dass sie zusätzlich auch nennenswerte Mengen an Anionen sorbieren. Die Mechanismen der Anionensorption an diese so genannten Organotone sind noch nicht vollständig bekannt. Es fehlen daher auch Erklärungen für die beobachtete Anionen-Selektivität und für die gegenseitige Beeinflussung verschiedener Anionen untereinander. Die genaue Kenntnis dieser Prozesse ist jedoch von grundlegender Bedeutung für die Optimierung der Sorptionseigenschaften der Organotone, für die Begründung der Langzeitstabilität dieser Barriere und vor allem für die Gewährleistung ihrer Funktion, wenn Grundwasser oder sogar Salzlauge mit extrem hohen Konzentrationen von konkurrierenden Anionen in das Endlager eindringen sollte. Mit ausgewählten Organoton-Systemen und verschiedenen anionischen Radionukliden sollen die Anionen-Eintauschstärken in unterschiedlichen Gleichgewichtslösungen bestimmt werden. Die Ergebnisse sollen mit Hilfe charakteristischer Parameter der Organotone (z.B. Belegungsdichte, Schichtladung, Schichtaufweitung) sowie der konkurrierenden Anionen (z.B. Ionenradius, Ladungsdichte, Hydratationsenthalpie) unter Berücksichtigung der jeweiligen Wechselwirkungen interpretiert und systematisiert werden.
In Bayern werden in den nächsten Jahren Oberflächenabdichtungen im Wert von 400 Millionen Mark gebaut werden. Für die Oberflächenabdichtung erscheint in vielen Fällen ein toniger Baustoff, der in geringen Massenanteilen mit einem organischen Polymer versetzt ist, als interessante Alternative zu vielen anderen Systemen. Dieser vergütete Baustoff besitzt bessere bodenmechanische Kennwerte, nimmt weniger Wasser auf und gibt das aufgenommene Wasser schwerer ab als der reine Ton: Verringert wird damit die Gefahr der Rißbildung in der Oberflächenabdichtung. Für derartige organophilierte Gesteinsphasen sollen vor allem sehr minderwertige Tone und Mergel (Abraum) eingesetzt werden, vorzugsweise verfestigte Tongesteine, die vor ihrem Einbau grundsätzlich kleingemahlen müßten. Bei diesem Aufarbeitungsprozeß kann dann das Polymer in Lösung bzw. als Dispersion zugegeben werden. Schwerpunktmäßig wird die Organophilierung mit kationischen Polymeren untersucht werden, es werden aber auch nichtionische / amphotere Polymere und Polymermischungen zu Vergleichszwecken miteinbezogen sein. Die Untersuchungen an den Gesteinsphasen werden von ergänzenden Untersuchungen an Suspensionen begleitet sein. Aufbauend auf Literaturstudien wird das Trocknungsverhalten, das Mischungsverhalten, das Wasseraufnahmevermögen und die Gasdurchlässigkeit, alles soweit möglich auch in der Zeitabhängikeit, untersucht werden. Da die Experimente eine Anwendung des Materials in der Praxis zum Ziel haben, werden die Untersuchungen immer auch von Kosten-Nutzen Überlegungen begleitet sein: Preisgünstige Polymere, biologisch schwer abbaubar, leicht in den Ton einmischbar, möglichst geringe Mengen bei einem optimalen Effekt bzw. Beschränkung der Zugabe auf der Grundlage von Wirtschaftlichkeitsüberlegungen, Betrachtung der GLEICHWERTIGKEIT gegenüber den Regelabdichtungssystemen. Es ist geplant, in Kooperation mit einem Grundbauinstitut die bodenmechanischen Systemleistungen und die Durchlässigkeit des Materials zu analysieren.