Sorption in Organotonen unter variierenden thermo-chemischen Bedingungen ...

Hauptziel des Projektes ist die Untersuchung bestimmender Größen von Sorptionsprozessen und Sorptionsstabilität langlebiger anionischer Radionuklide, von Kationen und unpolaren Molekülen in organisch modifizierten Tonen in Kombination von Diffusionsexperimenten und molekularer Simulation. In aquatischen Lösungen liegen langlebige Radionuklide wie z.B. 79Se, 99Tc, 129 I als Anionen vor. Daher besteht die Erfordernis insbesondere für die Endlagerung vorgesehene geotechnische Multibarrieresysteme ein geeignetes Material mit Sorptionseigenschaften für diese Stoffgruppen zu entwickeln. Einige Organotone haben die Eigenschaft größere Mengen an Kationen, Anionen und unpolaren Molekülen simultan zu sorbieren. Besondere Anforderungen an das Barrierematerial sind, neben der multiplexen Ionensorption, die Langzeitstabilität der Sorptionseigenschaften unter den zu erwartenden Bedingungen im Endlager, wie z.B. Temperaturen von über 100C und ein erhöhter hydrostatischer Druck. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt soll das Verständnis des Prinzips von Sorptionsprozessen in Organotonen verbessern. Zusätzlich soll zur Kennzeichnung der Stabilität die Veränderung der Materialeigenschaften unter variierenden chemischen und thermischen Bedingungen untersucht werden. Hierfür sind Diffusions- und Advektionsexperimente mit Hilfe einer neu entwickelten Diffusionszelle mit Temperatur- und Druckregelung geplant. Veränderungen der Sorption und des diffusiven Transportes werden im Labor mit verschiedenen Methoden zur Kennzeichnung Struktur und Oberflächeneigenschaften untersucht (z.B. XRD, IR-Spektroskopie, SEM, Oberflächenladung und Kontaktwinkel). Zur Validierung und Interpretation der Labor-Ergebnisse, zur Identifizierung von Strukturen und Aufklärung des diffusiven Transportes auf molekularer Ebene sind zusätzliche detaillierte molekulare Simulationen geplant. Basierend auf den Simulationsergebnissen sollen bestehende Modelle der Molekularstruktur der Organotone verbessert und Organoton-Kombinationen optimiert werden. Das Programm ist in Arbeitspakete unterteilt in denen die Sorptionskapazität, der diffusive Transport und Veränderungen der Molekularstruktur bei variierenden thermischen Bedingungen, Druck und pH-Wert an organisch modifizierten Tonen, insbesondere HDPy- und HDTMA-Montmorilloniten untersucht werden. Basierend auf Voruntersuchungen sind im 1. Schritt Diffusionsexperimente mit ursprünglichen und thermisch beanspruchten Organotonen geplant. Hierauf aufbauend soll der Effekt von konkurrierenden Ionen auf den diffusiven Transport untersucht werden. Folgende Spezies sollen untersucht werden: die Anionen ReO 4 - , NO 3 - , SeO3 2- , und I - , das Kation NH 4 + und das ungeladene organische Molekül Phenanthren genauso wie Gemische dieser Ionen. Da die vorhandene Diffusionszelle nicht zur Untersuchung von Massentransporten in mehrlagigen Proben (z.B. Ton/Organotonlagen) sowie von Temperatur- und erweiterten Advektionexperimenten einsetzbar ist, soll eine wesentlich größere Mehrfachreflektions-ATR-Einheit mit Temperaturregelung beschafft und eine größere Diffusionszelle entwickelt werden. Mit dieser Einheit soll auch die Übertragbarkeit von Ergebnissen an kleinen Proben (mm-Größe) zur nächsten Größenordnung (cm) bestimmt werden. Im Bereich der Computersimulation sollen Monte Carlo Simulationen durchgeführt werden um repräsentative Sorptionsmodelle zu erstellen und den Einfluss der untersuchten Ionen auf organisch modifizierten Montmorillonit zu verifizieren. Der 2. Schritt beinhaltet drei Arbeitspakete: (i) Die Untersuchung von Strukturveränderungen durch Sorption während des Diffusionsexperimentes durch Laboranalysen. (ii) Molekulardynamische Simulationen werden durchgeführt um dynamische Eigenschaften, insbesondere den Diffusionskoeffizienten zu berechnen und zur Unterstützung der Interpretation der Ergebnisse aus dem 1. Arbeitsschritt. (iii) Diffusionsexperiment bei verschiedenen thermischen Bedingungen (20, 40, 60, and 80 C), pH-Werten (7-8 and 4)und Ionenkonzentrationen in der Porenlösung, sowie Advektionsexperimente zur Untersuchung des strömungsgebundenen Transportes sollen durchgeführt werden. Im 3. Arbeitsschritt soll die Validierung der aus den Schritten 1 und 2 resultierenden Modelle der Diffusions-, Advektions- und Sorptionspprozesse erfolgen. Zusätzlich soll der Einfluss der thermischen Beanspruchung auf den diffusiven Prozess und die Sorptionskapazität der Organotone bestimmt werden. Das beantragte Vorhaben profitiert von der Erfahrung in analytischen Untersuchungen, der Expertise in klassischen Molekularsimulationen und quantenmechanischen/chemischen Berechnungen der Bearbeiterinnen. Es ist zu erwahrten, dass die Kombination der geplanten Experimente und molekularen Simulationsmethoden neue Details der Adsorptions- und Diffusionsprozessese zu den untersuchten Organotone liefern wird.

Das Projekt Sorption, diffusion and advection of anions, cations and non-ionic molecules in organoclays at varying thermo-chemical conditions validation by analytic methods and molecular simulation repräsentiert im Rahmen einer bilateralen D-A-CH Zusammenarbeit eine Kooperation der österreichischen Arbeitsgruppe am Institut für Bodenforschung (BOKU, Vienna, PI Dr. Daniel Tunega, FWF Projekt-Nr. I880-N21) und der deutschen Arbeitsgruppe am Institut für Bodenkunde (Leibniz University Hannover, PI Dr. Birgit Schampera, DFG Projekt-Nr. SCHA 1732/1-1). Ziel des Projektes war die Charakterisierung und Aufklärung von Struktur- und physikochemischen Materialeigenschaften von aus Alkylammonium-Kationen und Ton hergestellten Organotonen basierend auf experimentellen (deutsche Arbeitsgruppe) und theoretischen (österreichische Arbeitsgruppe) Untersuchungen. Die Kombination von experimenteller und theoretischer Herangehensweise erwies sich als sehr effektive Grundlage für die detaillierte Charakterisierung der Strukturen und Anordnungen von organischen Kationen in Zwischenschichten und auf der Oberfläche des Tonminerals Montmorillonit. Es konnte gezeigt werden, dass Änderungen der Oberflächeneigenschaften (wie z.B. Benetzbarkeit oder Partikelladung) in direktem Zusammenhang zu der zugebenen Menge und Art der organischen Kationen auf der Oberfläche stehen. Die Diffusionsexperimente mit ausgewählten Ionen und ungeladen Molekülen wiesen in Abhängigkeit von der chemischen Spezies und dem organischen Kationen variierendes Retentionsverhalten der Organotone nach. Die Ergebnisse der molekularen Simulationen lieferten eine detaillierte Charakterisierungen der Interaktionsmechanismen der ausgesuchten Spezies an der Organoton-Wasser Grenzfläche. Die durch die Simulationen bestimmten Diffusionskoeffizienten stimmten sehr gut mit den experimentellen Daten überein. Es konnte gezeigt werde, dass die hergestellten Organotone ein sehr gut geeignetes Material mit gefragten Eigenschaften für die Nutzung unterschiedlichster technologischen Anwendungen, wie z.B. in der Behandlung von kontaminierten Böden oder in Wasserreinigungssystemen, sind.