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Jun 22, 2023

Auswirkungen von Eisenkorrosionsprodukten auf die Verschlechterung der Bentonitstruktur und -eigenschaften

npj Materials Degradation Band 7, Artikelnummer: 66 (2023) Diesen Artikel zitieren 181 Zugriffe auf Metrikdetails Bentonit ist ein Schlüsselmaterial für technische Barrieren zum Schutz vor Grundwasser und Nukliden

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Details zu den Metriken

Bentonit ist ein Schlüsselmaterial für technische Barrieren zur Verhinderung der Grundwasser- und Nuklidmigration im Multibarrierensystem der geologischen Endlagerung hochradioaktiver Abfälle (HLW). Allerdings wird seine Barriereeigenschaft durch die Einwirkung von Eisenkorrosionsprodukten aus Stahlentsorgungsbehältern beeinträchtigt. In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen von Eisenkorrosionsprodukten auf die Verschlechterung der Bentonitstruktur und -eigenschaften in den simulierten Umgebungen für die geologische Entsorgung von HAW untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass aus Eisenpulver gelöstes Fe2+/Fe3+ in die Montmorillonit (Mt)-Zwischenschicht eindringen und einen Teil von Na+ ersetzen konnte, was zu einer Verringerung des Volumens und des Zwischenschichtabstands von Mt führte und die strukturelle Integrität von Mt zerstörte. Makroskopisch waren die Wasseraufnahme und das Quellvermögen von Bentonit deutlich verringert. Der Abbaumechanismus der Mt-Struktur bestand hauptsächlich darin, dass durch Eisenkorrosion erzeugtes Fe2+/Fe3+ in die Zwischenschichtdomäne von Mt eindrang, um das Ladungsdefizit zwischen den Schichten auszugleichen.

Die geologische Tiefenlagerung wird von den meisten Ländern allgemein als das einzig praktikable System zur Behandlung hochradioaktiver Abfälle (HLW) akzeptiert, bei dem hauptsächlich das Multi-Barriere-System zur dauerhaften Isolierung der HLW aus der Lebensumgebung zum Einsatz kommt1,2,3. Im Multibarrierensystem sind der eisenbasierte Behälter und das Puffer-/Hinterfüllmaterial die wichtigsten technischen Materialien, um das Austreten von Nukliden zu verhindern4. Unter diesen ist die Korrosionsbeständigkeit von Behältern auf Eisenbasis das Kernelement für die Stabilität und Haltbarkeit des Endlagersystems5. Das zwischen dem umgebenden Gestein und dem Metallbehälter eingefüllte Puffer-/Hinterfüllmaterial sollte über geeignete mechanische Eigenschaften und Pufferkapazität verfügen6,7. Seine Hauptfunktion besteht darin, den Druck des umgebenden Gesteins auf Metallbehälter zu verringern. Wenn der Behälter aufgrund von Korrosionsperforation versagt, kann er auch wirksam die Migration von Radionukliden in die Umgebung blockieren8. Daher spielt das Puffer-/Hinterfüllmaterialsystem bei der tiefen geologischen Endlagerung von HAW eine entscheidende Rolle bei der technischen Barriere, der hydraulischen Barriere und der chemischen Barriere sowie bei der Leitung und Ableitung der Wärme aus dem Zerfall radioaktiver Abfälle und ist eine wirksame Garantie dafür die langfristige Sicherheit und Stabilität des geologischen Endlagers von HLW9,10. Bei der Entsorgung besteht jedoch die Gefahr einer Destabilisierung und Verschlechterung, was das Austreten von Nukliden beschleunigen und dann großen Schaden für die internationale öffentliche Gesundheit und die Umwelt verursachen kann.

Bentonit wurde von vielen Ländern aufgrund seiner extrem geringen Wasserleitfähigkeit und guten Nuklidadsorptionseigenschaften als Puffermaterial für das geologische Endlager von HAA ausgewählt11. Montmorillonit (Mt) ist der Hauptmineralbestandteil, der aufquillt, wenn Bentonit Wasser oder Lösungen aufnimmt12. Die Kristallstruktur von Mt gehört zum monoklinen System und jede Einheitsschicht besteht aus einer oktaedrischen Al-O-Schicht und zwei tetraedrischen Si-O-Schichten. Die Oberfläche der Mt-Lamellenschicht ist aufgrund der isomorphen Substitution von Al3+ durch Mg2+/Fe2+ in der oktaedrischen Schicht und/oder Al3+ durch Si4+ in der tetraedrischen Schicht negativ geladen, und die negative Ladung kann durch Zwischenschichtkationen wie Na+, K+, ausgeglichen werden. Ca2+ oder Mg2+12,13. Diese Zwischenschichtkationen sind üblicherweise hydratisiert und austauschbar, daher verfügt Bentonit über ein starkes Wasserquellvermögen, Kationenadsorptionsvermögen und Kationenaustauschvermögen (CEC)14,15. Grundwasser enthält normalerweise Kationen wie K+, Ca2+ und Na+, die einen wichtigen Einfluss auf die Struktur und Pufferleistung des Mt. haben. Egloffstein berichtete, dass Ca2+ in der Salzlösung Na+ der Mt-Zwischenschichten in Bentonit leicht ersetzen kann, wodurch der Abstand zwischen den Schichten verringert wird Quellvermögen von Mt16. Karnland et al. fanden heraus, dass Mt bei einem hohen pH-Wert (pHå 12) aufgelöst werden kann und nicht quellende Mineralien erzeugt17,18,19. Darüber hinaus nahmen die Porosität und Durchlässigkeit von Bentonit zu, während die Pufferbarriereleistung abnahm20. Wenn die Konzentration dieser Kationen in der Lösung zu hoch ist, nimmt die negative Ladung der kolloidalen Bentonitpartikel unter der Wirkung der elektrischen Neutralisation ab und die gegenseitige Abstoßung nimmt ab, was zur Aggregation und Sedimentation der kolloidalen Bentonitpartikel führt21. Dieser Effekt entspricht lediglich der Abnahme der Dicke der elektrischen Doppelschicht mit zunehmender Ionenstärke, und der Einfluss der Ionenstärke auf die Struktur und Eigenschaften von Mt verdient weitere Untersuchungen. Mittlerweile nimmt auch die Kationenadsorptionskapazität von Bentonit deutlich ab. Darüber hinaus kann der Zusammenbruch der Mt-Zwischenschicht den Kationenaustausch weiter behindern.

Bei der langfristigen geologischen Entsorgung hängt die Pufferleistung von Bentonit nicht nur von der Zusammensetzung und Konzentration der Kationen im Grundwasser ab, sondern hängt auch weitgehend von der Menge an Eisenkorrosionsprodukten (Fe2+/Fe3+) ab, die durch die Korrosion seines Inneren entstehen Behälter auf Eisenbasis22. Die physikalischen/chemischen Eigenschaften und die Pufferleistung von Bentonit werden zwangsläufig durch die Korrosionsprodukte beeinträchtigt, die an der Grenzfläche zwischen eisenbasiertem Behälter und Bentonit entstehen, wenn der Behälter korrodiert23,24. Darüber hinaus ist der Anteil an Eisenkorrosionsprodukten im Bentonit in unterschiedlichen Abständen von eisenhaltigen Behältern unterschiedlich, was unterschiedliche Auswirkungen auf die Pufferleistung von Bentonit hat. Frühere Studien konzentrierten sich hauptsächlich auf die Reaktion zwischen Tonmineralien und Eisen und fanden heraus, dass die Eigenschaften der Reaktionsprodukte mit experimentellen Bedingungen wie der Reaktionstemperatur, den anfänglichen Eigenschaften der Tonmineralien und dem Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis zusammenhängen25. Lantenois et al. untersuchten Mts mit verschiedenen chemischen Kristallzusammensetzungen und entdeckten, dass nur dioktaedrisches Mt in Gegenwart von Eisen destabilisiert wurde26. Das Vorhandensein von Na+-Ionen in den Mt-Zwischenschichten und die höheren Gehalte an strukturellem Fe3+ in den Oktaederschichten können die Veränderung von Mt fördern. Darüber hinaus war der höhere pH-Wert (pH>7) günstiger für das Auftreten solcher Veränderungen. Perronnet et al. schlugen vor, dass die Heterogenität der Zwischenschichtstruktur, der Zwischenschichtladung und der Oberflächenenergie von Mt auch die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen könnte . Es ist jedoch noch unklar, wie sich die aus eisenbasierten Behältern gelösten Korrosionsprodukte auf die Eigenschaften, die Struktur und das Quellvermögen von Bentonit auswirken. Darüber hinaus gibt es auch keine einheitliche Schlussfolgerung über den Oxidationszustand von Fe3+/Fe2+, der durch Eisenkorrosion in der Mt-Struktur erzeugt wird, unabhängig davon, ob sie nur auf der Oberfläche von Mt adsorbiert werden und in die Mt-Zwischenschicht eindringen28,29,30 oder weiter in die Mt-Zwischenschicht wandern Oktaederplatz von Mt wie natürliches Fe3+ im eisenreichen Mt26,31,32,33. Daher ist es notwendig, diese Forschung auf der Grundlage des tiefen geologischen Entsorgungsschemas für HAW in China und der Grundwassereigenschaften eines vorab ausgewählten Standorts durchzuführen.

Die Lagerung nuklearer Abfälle wird aufgrund der Atmosphäre während der Bauphase des Endlagers unter aeroben Bedingungen beginnen. Mit der Schließung des Endlagers wurde eine anoxische Umgebung geschaffen. Um den Entwicklungsprozess der HLW-Entsorgungsumgebung zu simulieren, wurden Eisenpulver, Bentonit und simuliertes Beishan-Grundwasser in unterschiedlichen Anteilen gründlich gemischt, um experimentelle Systeme zu bilden. Mit zunehmender Zeit wurde der restliche Spurensauerstoff in der gemischten Probe allmählich verbraucht und das Versuchssystem wechselte in einen anoxischen Zustand. Der Hauptzweck dieser Arbeit besteht darin, die Auswirkungen von Eisenkorrosionsprodukten auf die Mineralzusammensetzung, Mikrostruktur und Pufferleistung des umgebenden Bentonits zu untersuchen. Durch die Kombination mit den Parametervariationen des Gehalts an austauschbaren Kationen zwischen den Mt-Zwischenschichten, der Mineralzusammensetzung, dem Zwischenschichtabstand, dem Vorkommenszustand von Eisen in Mt, der Wasserabsorption und der Quellkapazität wird der Abbaumechanismus der Mt-Struktur aufgezeigt. Die Forschungsergebnisse liefern eine wichtige theoretische Grundlage für die Formulierung des chinesischen HLW-Entsorgungsplans für geologische Abfälle.

Abbildung 1 zeigt die XRD-Muster des Korrosionsprodukts, nachdem 1:1 Bentonit/Eisenpulver 90 Tage lang bei 15 % und 30 % Wassergehalt (B1_I1_W15, B1_I1_W30) reagiert hat. Es ist ersichtlich, dass die Eisenkorrosionsprodukte der Probe B1_I1_W15 hauptsächlich Fe3O4/γ-Fe2O3 und α-FeOOH sind. Darüber hinaus werden auch die Beugungspeaks von metallischem Eisen erfasst, was darauf hinweist, dass sich nach 90 Tagen Reaktion immer noch Eisenpulver in der gemischten Probe befand. Im Gegensatz dazu wird γ-FeOOH auch in den Eisenkorrosionsprodukten der Probe B1_I1_W30 nachgewiesen, was zeigt, dass der Wassergehalt während der Reaktion von Bentonit/Eisenpulver einen großen Einfluss auf die chemische Zusammensetzung der Korrosionsprodukte hat. Mittlerweile werden auch die Beugungspeaks von Mineralien wie Mt25,34,35 und Quarz36,37 erfasst, was bedeutet, dass in den Korrosionsprodukten noch eine geringe Menge an Bentonitmineralien enthalten ist.

XRD-Muster der Korrosionsprodukte der Proben B1_I1_W15 und B1_I1_W30, die 90 Tage lang reagierten.

Abbildung 2 zeigt die Korrosionsmorphologie und die Raman-Spektren der Korrosionsprodukte der Proben B1_I1_W15 und B1_I1_W30, die 90 Tage lang reagiert haben. Wie in Abb. 2 dargestellt, bestehen die obigen B1_I1-Proben aus zwei Arten von Aggregaten: schwarzen Eisenkorrosionsprodukten und braun/rotbraunem, abgebautem Bentonit. Das Raman-Spektrum von Punkt A in Abb. 2b zeigt typische Banden, die Fe3O4 entsprechen (308 cm−1, 396 cm−1, 548 cm−1, 675 cm−1)38,39,40. Im Vergleich dazu zeigen die Raman-Spektren von Punkt B in Abb. 2b1 typische Banden von α-FeOOH (207 cm−1, 298 cm−1, 383 cm−1)39,41, γ-FeOOH (218 cm−1, 252). cm−1)41,42 und Fe3O4 (470 cm−1, 679 cm−1)38,43.

a Makromorphologie, b Raman-Spektrum von Punkt A und B.

Die für die Korrosionsprodukte in Abb. 2 erhaltenen Raman-Ergebnisse stimmen im Wesentlichen mit den XRD-Ergebnissen in Abb. 1 überein. Der einzige Unterschied besteht darin, dass α-FeOOH in Abb. 2b nicht gefunden wird, da es nur das Korrosionsspektrum zeigt Produkte, die den grünen Punkten in Abb. 2a entsprechen. Darüber hinaus kann gefolgert werden, dass Fe3O4 das Hauptkorrosionsprodukt ist, das bei der Reaktion von Bentonit/Eisenpulver entsteht, und dass mit zunehmendem Wassergehalt auch γ-FeOOH entsteht. Unter diesen können α-FeOOH und γ-FeOOH durch elektrochemische Oxidation und/oder chemische Oxidation von Eisenkorrosionsprodukten wie Fe(OH)2, Fe2(OH)2CO3, Fe6(OH)12CO3 und Fe6(OH) hergestellt werden. 12SO444,45. Darüber hinaus kann partielles α/γ-FeOOH (insbesondere γ-FeOOH, das reaktiver ist) unter anoxischen Bedingungen zu Fe3O4 reduziert werden46,47,48,49.

Tabelle 1 zeigt, dass die Gehalte an Na+ und Fe2+/Fe3+ in der Mt-Zwischenschicht des ursprünglichen GMZ-Na-Bentonits 43,7·10–2 mol kg−1 bzw. 0,2·10–2 mol kg−1 betragen. Bei den ursprünglich im Bentonit vorhandenen Spureneisen handelt es sich hauptsächlich um Fe3+, das durch Reaktion mit metallischem Eisen zu Fe2+ reduziert werden kann50. Nach der Reaktion von 100:1 Bentonit/Eisenpulver bei 15 % Wassergehalt (B100_I1_W15) über 30 Tage, 60 Tage und 90 Tage beträgt der Na+-Gehalt in der Mt-Zwischenschicht 43,2·10–2 mol kg−1, 41,9·10–2 mol kg−1 bzw. 41,5·10–2 mol kg−1. Mittlerweile betragen die Fe2+/Fe3+-Gehalte 0,2·10–2 mol kg−1, 0,9·10–2 mol kg−1 bzw. 1,3·10–2 mol kg−1. Wenn der Wassergehalt auf 30 % ansteigt (B100_I1_W30), sinken die Na+-Gehalte in der Mt-Zwischenschicht auf 42,1·10–2 mol kg−1, 39,4·10–2 mol kg−1 und 37,5·10–2 mol kg−1. während die Fe2+/Fe3+-Gehalte auf 0,9·10–2 mol kg−1, 2,6·10–2 mol kg−1 bzw. 3,2·10–2 mol kg−1 ansteigen. Für 1:1 Bentonit/Eisenpulver betragen die Na+-Gehalte in der Mt-Zwischenschicht 41,5·10–2 mol kg−1, 25,7·10–2 mol kg−1 und 24,3·10–2 mol kg−1 nach 30 Tagen, 60 Tage und 90 Tage Reaktion bei 15 % Wassergehalt (B1_I1_W15), und die Fe2+/Fe3+-Gehalte betragen 1,2·10–2 mol kg−1, 9,9·10–2 mol kg−1 und 10,7·10–2 mol kg− 1 bzw. Wenn der Wassergehalt auf 30 % ansteigt (B1_I1_W30), sinken die Na+-Gehalte in der Mt-Zwischenschicht auf 35,2·10–2 mol kg−1, 18,1·10–2 mol kg−1 und 16,2·10–2 mol kg−1. während die Fe2+/Fe3+-Gehalte auf 4,5·10–2 mol kg−1, 14,3·10–2 mol kg−1 bzw. 15,7·10–2 mol kg−1 ansteigen. Im Vergleich dazu zeigt sich, dass mit zunehmender Reaktionszeit, Eisenpulveranteil und Wassergehalt der Na+-Gehalt der Mt-Zwischenschicht im abgebauten Bentonit allmählich abnimmt, während der Fe2+/Fe3+-Gehalt zunimmt, was darauf hindeutet, dass ein Teil von Na+ in der Mt-Zwischenschicht vorhanden ist durch Fe2+/Fe3+ ersetzt.

Der Zwischenschichtabstand von Mt wird durch den d001-Wert des Zwischenebenenabstands der stärksten Beugung der Basisebene (001) bestimmt. Daher wird üblicherweise der Beugungspeak der Mt (001)-Kristallebene als charakteristischer Peak von Mt51,52 verwendet. Abbildung 3 zeigt die Position des Beugungspeaks (2θ) der Mt (001)-Kristallebene im ursprünglichen GMZ-Na-Bentonit und im abgebauten Bentonit (die Proben B100_I1_W15, B100_I1_W30, B1_I1_W15 und B1_I1_W30 reagierten 90 Tage lang und nach Entfernung des Eisenpulvers/Eisens). Korrosionsprodukte) betragen 5,87°, 6,07°, 6,11°, 6,26° bzw. 6,56°. Basierend auf der Bragg-Gleichung: 2dsinθ = λ (λ = 0,15406 nm) betragen die Zwischenschichtabstandswerte (d) von Mt in den oben genannten Bentonitproben 1,50 nm, 1,45 nm, 1,44 nm, 1,41 nm bzw. 1,35 nm. Dies zeigt, dass im Reaktionsprozess von Bentonit/Eisenpulver der Zwischenschichtabstand von Mt mit zunehmendem Wassergehalt und Eisenpulveranteil allmählich abnimmt. Darüber hinaus nimmt die Intensität des Mt-Beugungspeaks ab und der Peak wird breiter, was möglicherweise auf die Abnahme der Mt-Kristallinität zurückzuführen ist53,54. Um den Einfluss von Eisenkorrosionsprodukten auf die Struktur von Mt besser zu verstehen, wurden die FITR-Spektren des ursprünglichen GMZ-Bentonits und des abgebauten Bentonits durchgeführt.

XRD-Muster von ursprünglichem GMZ-Na-Bentonit und abgebautem Bentonit (B100_I1_W15-, B100_I1_W30-, B1_I1_W15- und B1_I1_W30-Proben reagierten 90 Tage lang und nach Entfernung des Eisenpulvers/Eisenkorrosionsprodukten).

Abbildung 4 zeigt die FTIR-Spektren des ursprünglichen GMZ-Na-Bentonits und des abgebauten Bentonits (B100_I1_W15-, B100_I1_W30-, B1_I1_W15- und B1_I1_W30-Proben reagierten 90 Tage lang und nach Entfernung des Eisenpulvers/Eisenkorrosionsprodukten). Die offensichtlichen Unterschiede zwischen den FTIR-Spektren von abgebautem Bentonit und dem ursprünglichen GMZ-Na-Bentonit zeigen sich hauptsächlich in den Bereichen der Absorptionsbanden, die mit den Schwingungen der oktaedrischen Ionen zusammenhängen. Im Bereich der funktionellen Gruppen (4000–1330 cm−1) zeigt die Intensität der AlAlOH-Streckbande (~3622 cm−1) in abgebautem Bentonit eine deutliche Abnahme, während die Intensität der AlMgOH-Streckbande (~3432 cm−1) nur zunimmt eine leichte Abnahme25. Dies kann mit der Deprotonierung von OH-Gruppen und dem teilweisen Zusammenbruch oder der Zerstörung der Mt-Oktaederstruktur zusammenhängen25,26. In der Fingerabdruckregion (1330–400 cm−1) stimmen die Variationen der Streckbandintensitäten von AlAlOH (~915 cm−1) und AlMgOH (~848 cm−1) mit denen der Region mit funktionellen Gruppen überein25,26. Unterdessen sind die Intensitäten der Biegebänder von Si-O (~1090 cm−1, ~1035 cm−1, ~797 cm−1), Al-O (~620 cm−1), Si-O-Al (~519 cm−1) und Si-O-Si (~470 cm−1) werden ebenfalls verringert, was auf die teilweise Auflösung oder Zerstörung der Mt-Schicht zurückgeführt werden kann25. Es lässt sich auch feststellen, dass mit zunehmendem Wassergehalt und Eisenpulveranteil die Intensität dieser Dehnungs- und Biegebänder abnimmt, was darauf hindeutet, dass die Deprotonierungsreaktion der OH-Gruppen von Mt und der Grad der Auflösung oder Zerstörung der Mt-Struktur verstärkt werden . Darüber hinaus wird in den FTIR-Spektren in abgebauten Bentonitproben in Abb. 4 eine Si-O-Fe-Biegebande bei der Wellenlänge von 420 cm−1 nachgewiesen, was darauf hindeutet, dass Fe-haltiges Silikat erzeugt wurde, das aus Fe2+/Fe3+ bestehen könnte adsorbiert auf der Oberfläche von Mt und Si-O- in der Mt-Struktur.

FTIR-Muster von ursprünglichem GMZ-Na-Bentonit und abgebautem Bentonit (B100_I1_W15-, B100_I1_W30-, B1_I1_W15- und B1_I1_W30-Proben reagierten 90 Tage lang und nach Entfernung des Eisenpulvers/Eisenkorrosionsprodukten).

Abbildung 5a zeigt das TEM-Bild des trockenen ursprünglichen GMZ-Na-Bentonits, und sein Hauptmineralbestandteil Mt weist eine lamellare Struktur mit einem Schichtabstandswert von 0,96 nm auf. Die Elektronenbeugung zeigt, dass sich die Probe in der [001]-Richtung befindet. Abbildung 5b und c zeigen die TEM-Bilder des ursprünglichen GMZ-Na-Bentonits und des abgebauten Bentonits (B100_I1_W30-Probe reagierte 90 Tage lang und nach Entfernung des Eisenpulvers/Eisenkorrosionsprodukten), dispergiert mit Wasser bzw. Aceton. Es ist ersichtlich, dass die Lamellenstruktur von Mt im ursprünglichen GMZ-Na-Bentonit intakt ist und der Schichtabstandswert 1,10 nm beträgt, was zeigt, dass der Schichtabstandswert von Mt zunimmt, nachdem GMZ-Na-Bentonit durch Wasser und Aceton dispergiert wurde . Die Gesamtstruktur von Mt in abgebautem Bentonit erfuhr keine grundlegende Transformation, aber wie im rot gepunkteten Bereich in Abb. 5c gezeigt, kollabiert der Rand der Mt-Schicht, was bedeutet, dass die Randstruktur von Mt teilweise zerstört wird. Darüber hinaus beträgt der Schichtabstandswert von Mt im abgebauten Bentonit im Vergleich zum ursprünglichen GMZ-Na-Bentonit 0,97 nm, was weiter bestätigt, dass der Schichtabstand von Mt nach dem Abbau des Bentonits abnimmt.

Trockener ursprünglicher GMZ-Na-Bentonit (a), ursprünglicher GMZ-Na-Bentonit und dispergiert mit Wasser und Aceton (b) und der abgebaute Bentonit (B100_I1_W30-Probe 90 Tage lang reagiert und nach Entfernung des Eisenpulvers/Eisenkorrosionsprodukten) mit dispergiert Wasser und Aceton (c).

Abbildung 6 zeigt die 57Fe-Mößbauer-Spektren des ursprünglichen GMZ-Na-Bentonits und des abgebauten Bentonits (B1_I1_W30-Probe reagierte 90 Tage lang und nach Entfernung des Eisenpulvers/Eisenkorrosionsprodukten). Basierend auf den CEC-Messergebnissen von Mt-Zwischenschichten in Tabelle 1 kann berechnet werden, dass der Eisenionengehalt im ursprünglichen GMZ-Na-Bentonit nur 0,01 % beträgt und damit weit unter dem Nachweisniveau des Mössbauer-Spektrums liegt31. Daher ist die erhaltene Resonanz des 57Fe-Mößbauer-Spektrums in Abb. 6a ungeordnet. Das Mössbauer-Spektrum kann die chemischen Zustände von Fe2+ und Fe3+29 eindeutig unterscheiden. Für den abgebauten Bentonit zeigt das experimentelle Mössbauer-Spektrum in Abb. 6b die typische breite Fe3+-Resonanz, die für die meisten Mts beobachtet wird, und die Intensitäten der Komponentenpeaks dieser Resonanz sind definitiv asymmetrisch55.

Ursprünglicher GMZ-Na-Bentonit (a) und die Probe des abgebauten Bentonits B1_I1_W30 reagierten 90 Tage lang und nach Entfernung des Eisenpulvers/Eisenkorrosionsprodukten (b).

Im Allgemeinen bestehen die Mössbauer-Spektren von Eisenoxiden und -hydroxiden normalerweise aus sechs magnetischen Spaltungslinien30. In Abb. 6b sind jedoch keine sechs magnetischen Spaltungslinien erkennbar. Unterdessen wurden die Phasen von Eisen, Eisenoxiden und -hydroxiden in den entsprechenden XRD-Mustern des abgebauten Bentonits in Abb. 3 nicht nachgewiesen. Daher ist es sicher, dass Fe3+ im abgebauten Bentonit entweder in die Mt-Zwischenschicht oder in Al-O-Oktaederplätze eindringt. Wenn Fe3+ die Al-O-Oktaederplätze besetzt, sollte die Sättigungskoordinationszahl um Fe 6 betragen, die Symmetrie ist sehr hoch und der Wert der elektrischen Quadrupolaufspaltung (Δ) sollte sehr klein sein. Allerdings ist der Δ-Wert von Fe3+ in Abb. 6b groß, was darauf hindeutet, dass die Teilladung von Fe durch die (Anzahl der) gebundenen Liganden unvollständig ausgeglichen wird. Daher ist es wahrscheinlicher, dass Fe3+ auf der Oberfläche des Mt-Laminats adsorbiert wird und in die Mt-Zwischenschicht gelangt29,30. Dies steht im Einklang mit den TEM- und XRD-Ergebnissen, dass der Zwischenschichtabstand von Mt nach der Bentonit/Eisenpulver-Reaktion abnimmt. Darüber hinaus wird nicht erwartet, dass die schichtinterne Diffusion zweiwertiger Kationen (wie für Ni2+ gezeigt) in die oktaedrische Tonschicht (das sogenannte Hofmann-Klemen) unter 50 °C auftritt56. Das Ni2+ ähnelt Fe2+/Fe3+ hinsichtlich des Ionenradius und der Affinität zur Tonstruktur57,58, und die Experimente wurden bei Umgebungstemperaturen durchgeführt, was weiter bestätigt, dass durch Eisenkorrosion erzeugte Eisenionen hauptsächlich in die Zwischenschichtdomäne von Mt gelangen.

Abbildung 7 zeigt die Zeitverlaufskurven der konstanten Volumenquellkraft von verdichteten Proben von ursprünglichem GMZ-Na-Bentonit (1#), ursprünglichem Bentonit/Eisenpulver (B100_I1 2#, B10_I1 5#, B1_I1 8#) und deren Reaktion bei 15 %, 30 % Wassergehalt (B100_I1_W15 3#, B100_I1_W30 4#, B10_I1_W15 6#, B100_I1_W30 7#, B1_I1_W15 9#, B1_I1_W30 10#) für 90 Tage. Es ist ersichtlich, dass die Zeitverlaufskurven der Quellkraft der 1–3#-Proben eine typische Doppelpeakcharakteristik aufweisen59, d. h. die Quellkraft der Probe steigt nach der Wasseraufnahme schnell an und nimmt nach Erreichen des Spitzenwerts leicht ab , steigt dann wieder an und tendiert schließlich dazu, stabil zu sein. Allerdings zeigen die Zeitverlaufskurven der Quellkraft von 4–10 Proben eine typische Einzelpeakcharakteristik, d. h. die Quellkraft der Probe steigt nach der Wasseraufnahme schnell an, nimmt dann nach Erreichen des Spitzenwerts allmählich ab und schließlich ab wird stabil. Der Entwicklungsprozess der Quellkraft von Bentonit und Bentonit/Eisenpulver (vor und nach dem Abbau) unter der Bedingung eines konstanten Volumens ist im Wesentlichen der Akkumulierungsprozess der „Keil“-Kraft, die zwischen Kristallschichten und Laminaten aufgrund der Einschränkung des Verdickungsprozesses entsteht der bindende Wasserfilm zwischen den Kristallschichten und die diffuse elektrische Doppelschicht zwischen den Laminaten60. Diese angesammelte „Keil“-Kraft nimmt aufgrund der Risse in den Laminaten und dem Kollabieren der Poren zwischen den Aggregaten ab und nimmt dann mit der fortgesetzten Wasseraufnahme und Quellung der gerissenen Laminate wieder zu61. Makroskopisch zeigt es die Doppelpeak- oder Einzelpeakform der Zeitverlaufskurve der Quellkraft. Daher kann die Quellkraft als Überlagerungsergebnis der akkumulierten „Keil“-Kraft Ps+, die durch das Quellen der Kristallschicht und der elektrischen Doppelschicht verursacht wird, und der dissipierten „Keil“-Kraft Ps-, die durch die Laminierungsrisse und die Pore verursacht wird, betrachtet werden Zusammenbruch zwischen Aggregaten62.

Original GMZ Na-Bentonit (a), Original Bentonit/Eisenpulver (100:1 (b), 10:1 (c), 1:1 (d)) und deren Reaktion bei 15 %, 30 % Wassergehalt für 90 Tage .

Tabelle 2 zeigt die Quellkraftparameter von 1–10# Proben im Prozess der Wasseraufnahme. Es zeigt sich, dass der Spitzenwert, der Endwert und die Zeit, die zum Erreichen des Spitzenwerts des ursprünglichen GMZ-Na-Bentonits (1#) erforderlich ist, höher sind als die der Bentonit-/Eisenpulverproben (2–10#). Dies ist auf den höheren Bentonitgehalt und die bessere Quellfähigkeit der ursprünglichen GMZ-Na-Bentonit-verdichteten Probe zurückzuführen. Außerdem wurde es nicht durch Eisenkorrosionsprodukte angegriffen und weist eine bessere Kolloidstabilität und Quellfähigkeit auf. Bei den Proben, die Eisenpulver mit unterschiedlichen Anteilen (2–4#, 5–7#, 8–10#) enthalten, nehmen der Spitzenwert, der Endwert und die Zeit, die zum Erreichen des Spitzenwerts der Quellkraft erforderlich ist, alle ab, unabhängig davon, ob vorher oder nach dem Abbau von Bentonit. Basierend auf den Ergebnissen in den Abschnitten 2.2–2.4 können die Gründe für die Abnahme der Quellleistung von abgebautem Bentonit wie folgt zusammengefasst werden: (1) Das durch Eisenkorrosion erzeugte Fe2+/Fe3+ wandert in die Mt-Kristallschicht und ersetzt Na+, was zur Folge hat zur Verringerung der Kationenhydratationsfähigkeit und des Zwischenschichtabstands53. (2) Die Zerstörung der strukturellen Integrität von Mt kann zu einer Verringerung des Mt-Gehalts im Bentonit führen. (3) Die Adsorption von Fe2+/Fe3+ auf der Oberfläche des Mt-Laminats kann die negative Ladung von Mt neutralisieren und so die Abstoßungskraft der diffundierten elektrischen Doppelschicht auf der Oberfläche des Laminats verringern16. Darüber hinaus nehmen mit der Abnahme der Quellkraft des Bentonits und der Bildung von Eisenkorrosionsprodukten die Porosität und Durchlässigkeit des Bentonits zu und die Zeit, die zum Erreichen des Spitzenwerts der Quellkraft benötigt wird, verkürzt sich.

Abbildung 8 zeigt die Wasseraufnahme nach 10.000-minütiger Benetzung von 1–10 # verdichteten Proben. Es ist ersichtlich, dass die Wasserabsorption (Gew. %) der ursprünglichen GMZ-Na-Bentonit-verdichteten Probe (1#) 31,03 % beträgt und damit höher ist als die der Bentonit-/Eisenpulverproben (2–10#). Dies ist auf den hohen Mt-Gehalt, den großen Zwischenschichtabstand und die starke Wasseraufnahmekapazität des ursprünglichen GMZ-Na-Bentonits zurückzuführen. Für 100:1 Bentonit/Eisenpulver nimmt die Wasseraufnahme von 2–4# Proben allmählich wie folgt ab: 30,04 %, 29,30 % bzw. 27,44 %. Dies hängt hauptsächlich mit der Abnahme der Wasseraufnahmekapazität von Bentonit zusammen, die durch die Abnahme des Mt-Gehalts, des Laminierungsvolumens und des Zwischenschichtabstands verursacht wird. Gleichzeitig vergrößern sich die Poren zwischen den Bentonitaggregaten, was zu einem Anstieg des freien Wassereintritts in Bentonit führt62. Daher hängt die Wasseraufnahme der Probe letztendlich von ihrer Wasseraufnahmekapazität und den Poren zwischen den Aggregaten ab. Für 10:1 Bentonit/Eisenpulver beträgt die Wasserabsorption der 5#- und 6#-Proben 27,38 % bzw. 25,82 %, was einen abnehmenden Trend zeigt, der dem der 2–4#-Proben ähnelt. Im Vergleich zu 5#- und 6#-Proben steigt die Wasserabsorptionsrate der 7#-Probe auf 28,33 %, was darauf hindeutet, dass die Wasserabsorption der 7#-Probe hauptsächlich durch die Vergrößerung der Poren zwischen den Aggregaten beeinflusst wird. Für 1:1 Bentonit/Eisenpulver steigt die Wasseraufnahme von 8–10#-Proben schrittweise wie folgt an: 28,71 %, 29,37 % bzw. 29,44 %, was der der 7#-Probe ähnelt. Darüber hinaus kann das Vorhandensein von Eisenpulver und Eisenkorrosionsprodukten auch die Porosität der Probe erhöhen und einen großen Einfluss auf deren Wasseraufnahme haben.

Wasseraufnahme nach 10.000-minütiger Benetzung verdichteter Proben von Original-GMZ-Na-Bentonit, Original-Bentonit/Eisenpulver (100:1, 10:1, 1:1) und deren Reaktion bei 15 %, 30 % Wassergehalt über 90 Tage.

Als Hauptmineralbestandteil von Bentonit sind die Variationen in der Mt-Struktur und den physikalisch-chemischen Eigenschaften die Schlüsselfaktoren, die die Pufferbarriereleistung von Bentonit beeinflussen. Unter leicht sauren (belüfteten) Bedingungen sind die Protonen in der Lösung reichlich vorhanden, sodass Mt nicht direkt an der Korrosion von metallischem Eisen beteiligt ist26. Unter alkalischen Bedingungen liegen Protonen jedoch hauptsächlich in der Mt-Struktur in Form von OH-Gruppen vor, und eine Deprotonierung kann sowohl an Mt-Zwischenschicht- als auch an Randstellen auftreten. Daher ist es in der schwach alkalischen Umgebung des simulierten Beishan-Grundwassers (pH = 8,15) sehr wahrscheinlich, dass die Deprotonierung von OH-Gruppen in der Mt-Struktur am Korrosionsprozess von Behältern auf Eisenbasis zur Entsorgung von HLW beteiligt ist. Es wurde erkannt, dass die hohe Affinität von metallischem Eisen zu Mt und die daraus resultierende Wechselwirkung die Ursachen für Stahlrohrkorrosion bei der Verwendung tonhaltiger Bohrspülung sind63. Die Anwesenheit von metallischem Eisen kann eine Deprotonierung der OH-Gruppen des oktaedrischen Mt induzieren, während metallisches Eisen Elektronen verliert und weiter korrodiert. Daher korrodiert das metallische Eisen im Laufe der Zeit kontinuierlich und Mt wird allmählich abgebaut.

Für den abgebauten Bentonit nehmen die Intensitäten der AlAlOH- und AlMgOH-Streckbanden im FTIR ab, was zeigt, dass die OH-Gruppe in der Mt-Struktur an der Deprotonierungsreaktion beteiligt ist25. Darüber hinaus deuten die Bildung des Si-O-Fe-Biegebands und die Ergebnisse von CEC, Mössbauer-Spektrum, XRD und TEM darauf hin, dass durch Eisenkorrosion erzeugtes Fe2+/Fe3+ hauptsächlich in die Zwischenschichtdomäne von Mt gelangt ist (direkt oder durch Substitution mit Zwischenschicht-Low). -valente Kationen). Daher wird, wie in Abb. 9 gezeigt, ein konzeptionelles Modell der Destabilisierung und des Abbaus der Mt-Struktur vorgeschlagen: (a) Die Aktivität von reduziertem Eisenpulver kann die Deprotonierung der OH-Gruppe des oktaedrischen Mt und den pH-Anstieg fördern, was dies weiter beschleunigt Durch die Ionisierung von AlAlOH und AlMgOH wird H+ freigesetzt, um AlAlO- und AlMgO- zu bilden. Unterdessen wird Fe2+/Fe3+ aus der Metall-Eisen-Korrosion gelöst. (b) Die Bildung von AlAlO- und AlMgO- führt dazu, dass Fe2+/Fe3+ auf der Oberfläche des Mt-Laminats adsorbiert wird und weiter in die Mt-Kristallschicht eindringt (direkt oder durch Substitution mit niedervalenten Zwischenschichtkationen), um die Zwischenschicht zu kompensieren Ladungsdefizit. (c) Mit der Zeit wird das metallische Eisen kontinuierlich aufgelöst, die Menge an Fe2+/Fe3+, die in die Mt-Struktur gelangt, nimmt zu und der Mt-Zwischenschichtabstand nimmt allmählich ab.

a AlAlOH und AlMgOH ionisieren und setzen H+ frei, um AlAlO− und AlMgO− zu bilden, b Fe2+/Fe3+ dringen hauptsächlich in die Mt-Zwischenschicht ein, um das Ladungsdefizit zwischen der Schicht auszugleichen. c Mit der Zeit nimmt die Menge an Fe2+/Fe3+, die in die Mt-Struktur gelangt, zu und der Mt-Zwischenschichtabstand nimmt allmählich ab.

Zusammenfassend zeigt die Mikrostrukturanalyse, dass aus dem reduzierten Eisenpulver gelöstes Fe2+/Fe3+ auf der Oberfläche des Montmorillonit (Mt)-Laminats adsorbiert werden konnte und einen Teil von Na+ in der Mt-Zwischenschicht ersetzte, was zu einer Verringerung des Volumens und des Zwischenschichtabstands von Mt führte. Inzwischen wurde die strukturelle Integrität des Mt. in Bentonit zerstört. Was die makroskopischen Eigenschaften angeht, verringerte das durch Eisenkorrosion erzeugte Fe2+/Fe3+ die Wasseraufnahme und das Quellvermögen von Bentonit erheblich. Darüber hinaus wurde die Verschlechterung der Bentonitstruktur und -eigenschaften mit zunehmendem Eisenpulveranteil, Wassergehalt und Reaktionszeit verstärkt. Der Destabilisierungs- und Abbaumechanismus der Mt-Struktur in Bentonit wurde vorgeschlagen: Durch Eisenkorrosion erzeugtes Fe2+/Fe3+ gelangte in die Zwischenschichtdomäne von Mt (direkt oder durch Substitution mit niedervalenten Zwischenschichtkationen), um das Ladungsdefizit zwischen den Schichten auszugleichen.

Die Mineralzusammensetzung von GMZ-Na-Bentonit in der Inneren Mongolei beträgt: Montmorillonit, 75 ± 1 %; Quarz, 12 ± 1 %; Cristobalit, 7 ± 1 %; Feldspat, 4 ± 1 %; Kaolinit, 1 ± 1 %; Calcit, 1 ± 1 %64. Vor dem Experiment wurde das Bentonitpulver 8 Stunden lang in einem Ofen bei 105 ± 3 °C (bei Umgebungsbedingungen) getrocknet, um das natürlich absorbierte Wasser im Bentonit zu entfernen. Die simulierte Beishan-Grundwasserlösung wurde unter aeroben Bedingungen gemäß der Grundwasserprobenzusammensetzung des BS03-Bohrlochs im alten Bohrlochabschnitt des Beishan-Gebiets49 hergestellt und die spezifischen Komponenten sind wie folgt angegeben: NaSO4, 1,5777 g L−1; NaCl, 1,4876 g L−1; CaCl2, 0,5792 g L−1; MgSO4·7H2O, 0,5716 g L−1; NaHCO3, 0,1384 g L−1; NaNO3, 0,0372 g L−1; KCl, 0,0382 g L−1.

Die vorbereitete simulierte Lösung wurde bei –40 °C eingefroren, mit einem Eisbrecher zerkleinert und gesiebt, um ultrafeines Eispulver mit einer Partikelgröße von <10 μm zu erhalten. Um den Einfluss des Korrosionsgrads von Behältern auf Eisenbasis auf die Struktur und Eigenschaften von Bentonit zu untersuchen, wurden Eisenpulver, Bentonit und Eispulver gründlich gemischt und in unterschiedlichen Anteilen (siehe Tabelle 3) bei der niedrigen Temperatur von –40 °C gerührt °C, dann vakuumversiegelt und bei Raumtemperatur umgesetzt. Durch die Analyse von Eisenkorrosionsprodukten, kombiniert mit den Parametervariationen des Gehalts an austauschbaren Kationen zwischen den Mt-Zwischenschichten, der Mineralzusammensetzung, dem Zwischenschichtabstand, dem Vorkommenszustand von Eisen in Mt, der Wasserabsorption und der Quellkapazität, um den Mechanismus des Abbaus der Mt-Struktur aufzudecken.

Der Vorbereitungsprozess von Eisenkorrosionsprodukten/abgebautem Bentonit für die XRD-Analyse (gleiches gilt für die anderen Techniken) war wie folgt: (1) B1_I1_W15- und B1_I1_W30-Proben reagierten 90 Tage lang unter versiegelten anoxischen Bedingungen; (2) Die gemischten Proben wurden nach der Reaktion in eine Handschuhbox gegeben, mit hochreinem Stickstoff (>99,999 %) getrocknet, gemahlen, gesiebt und vakuumversiegelt; (3) Das Eisenpulver/Eisenkorrosionsprodukte und der abgebaute Bentonit wurden durch einen Starkfeldmagneten von den gemischten Proben getrennt.

Zur Charakterisierung der Phasenzusammensetzung der Eisenkorrosionsprodukte wurden Röntgenbeugung (XRD, Cu-K-alpha, Smartlab 9 kW, Rigaku, Japan) und Raman-Spektroskopie (HR800, Horiba Jobin-Yvon, Frankreich) eingesetzt. Der XRD-Test wurde mit Cu ka (λ = 0,15406 nm) bei 50 kV-250 mA durchgeführt, und der Scanbereich und die Geschwindigkeit wurden auf 5–70° bzw. 10° min−1 eingestellt. Die Ergebnisse wurden mit der Software Jade 6.0 qualitativ analysiert. Für die Raman-Spektrumanalyse wurde eine He-Ne-Lichtquelle mit einer Wellenlänge von 632,8 nm als Laserstrahl verwendet, die Punktgröße betrug 1 μm2 und das zur Fokussierung des Strahls verwendete Objektiv war x50LWD. Darüber hinaus wurde die Laserleistung stets unter 1 mW gehalten, um zu verhindern, dass sich die Zusammensetzung der Korrosionsprodukte durch Lasererwärmung verändert, und die Akkumulationszeit betrug 30 s. Die Ergebnisse wurden auf Grundlage der veröffentlichten Literatur38,39,40,41,42,43 qualitativ analysiert.

Um die Auswirkung von durch Eisenkorrosion gelöstem Fe2+/Fe3+ auf die CEC von Mt-Zwischenschichten in GMZ-Na-Bentonit zu untersuchen, wurde induktiv gekoppelte Plasmaemissionsspektroskopie (ICP-OES, iCAP 7000, Thermo Fisher, Singapur) zur Messung von Na+ und Fe2+ eingesetzt /Fe3+-Gehalt der Mt-Zwischenschicht im ursprünglichen GMZ-Bentonit und im abgebauten Bentonit (B100_I1_W15-, B100_I1_W30-, B1_I1_W15- und B1_I1_W30-Proben reagierten 30 Tage, 60 Tage und 90 Tage lang und nach Entfernung des Eisenpulvers/Eisenkorrosionsprodukten). Vor der ICP-OES-Messung wurde der Bentonit mehrmals mit entionisiertem Wasser unter anoxischen Bedingungen in einer Glovebox gespült, um die an der Oberfläche der Probe adsorbierte Salzlösung zu entfernen, und dann mit hochreinem Stickstoff getrocknet, gemahlen, gesiebt und versiegelt zur Aufbewahrung. Die CEC in der Mt-Zwischenschicht wurde mit der NH3·H2O-NH4Cl-Methode65 gemessen und die Reaktionsformel lautete wie folgt:

XRD wurde angewendet, um die Mineralzusammensetzung des ursprünglichen GMZ-Na-Bentonits und des abgebauten Bentonits zu analysieren (B100_I1_W15-, B100_I1_W30-, B1_I1_W15- und B1_I1_W30-Proben reagierten 90 Tage lang und nach Entfernung des Eisenpulvers/Eisenkorrosionsprodukten). Der XRD-Test wurde mit Cu ka (λ = 0,15406 nm) bei 50 kV-250 mA durchgeführt, und der Scanbereich und die Geschwindigkeit wurden auf 5–40° bzw. 10° min−1 eingestellt. Die Ergebnisse wurden mit der Software Jade 6.0 qualitativ analysiert.

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR, EQUINOX 55, Bruker, Europa) wurde eingesetzt, um die chemischen Bindungen und funktionellen Gruppen der Bentonit-Molekülstruktur zu erkennen, und die Durchlässigkeit wurde mit der KBr-Pressscheibentechnik gemessen (1 mg Probe und 200 mg KBr). )25,26. Für jede Probe wurden 16 Scans mit einer Auflösung von 2 cm−1 aufgezeichnet. Der Messbereich der Infrarotwellenlänge betrug 4000–400 cm−1 und die spektralen Manipulationen wurden mit dem OMNIC-Softwarepaket durchgeführt25.

Ein durch sphärische Aberration korrigiertes Transmissionselektronenmikroskop (TEM, Titan G2 60–300, FEI, US) wurde verwendet, um die Mikrostruktur von Mt im ursprünglichen GMZ-Na-Bentonit und im abgebauten Bentonit (Probe B100_I1_W30) zu analysieren, reagierte 90 Tage lang und nach der Entfernung des Eisenpulvers/Eisenkorrosionsprodukten). Vor der TEM-Messung wurde der Bentonit in einem Verhältnis von 1:50 in einer Acetonlösung dispergiert und anschließend wurde die Probe mit einem 230-Mesh-Kupfernetz gefischt. Darüber hinaus ist anzumerken, dass der durchschnittliche Dickenunterschied zwischen TEM-Proben von Mt-Mikrokristallen nicht durch die Luftfeuchtigkeit beeinflusst wurde25,66,67.

Die Mössbauer-Spektroskopie wurde verwendet, um den Vorkommenszustand von Eisen im ursprünglichen GMZ-Na-Bentonit und im abgebauten Bentonit zu charakterisieren (B1_I1_W30-Probe reagierte 90 Tage lang und nach Entfernung des Eisenpulvers/Eisenkorrosionsprodukten). Das Mössbauer-Spektrometer (57Co (Rh)-Quelle, MFD-500AV, Topologic, Japan) wurde zur Aufnahme von 57Fe-Mößbauer-Spektren bei Raumtemperatur (RT, 298 K) verwendet. Die Geschwindigkeitsskala wurde unter Bezugnahme auf α-Fe kalibriert, wobei der Mittelpunkt des Eisen-Hyperfeinspektrums die Nullgeschwindigkeit definierte. Die Datenanalyse und Anpassung des 57Fe-Mößbauer-Spektrums wurden mit der Software Mosswinn 4.0 durchgeführt. Um die Auswirkungen der Absorberdicke zu eliminieren, enthielten alle Absorberproben 7–10 mg Fe cm−2 29.

Ein selbst entwickeltes Bentonit-Verdichtungsgerät wurde verwendet, um verdichtete Proben von ursprünglichem GMZ-Na-Bentonit und 100:1, 10:1 und 1:1 Bentonit/Eisenpulver (vor/nach dem Abbau) herzustellen. Vor der Probenvorbereitung wurde das ursprüngliche Bentonitpulver 8 Stunden lang in einem Ofen bei 105 ± 3 °C (unter Umgebungsbedingungen) getrocknet. Die gemischten Proben aus reagiertem Bentonit und Eisenpulver wurden mit hochreinem Stickstoff in einer Handschuhbox bei Raumtemperatur (unter anoxischen Bedingungen) getrocknet, bis das Gewicht stabil blieb. Tabelle 4 zeigt die relevanten Versuchsparameter verschiedener oben beschriebener verdichteter Bentonitproben. Das vollautomatisch-mechanische Gerät zur Motorbeladung (YUC.YJZPZ-1, Yuchuang-Technologie, China) wurde zur Echtzeitüberwachung der konstanten Volumenquellkraft verschiedener verdichteter Proben im Prozess der Wasserabsorption verwendet. Der Quellkrafttest erfolgte im Belastungsmodus mit konstanter Verformung, die Laufgeschwindigkeit betrug 0,1 mm/min und der Testzeitraum dauerte 10.000 Minuten. Die Wasseraufnahme verdichteter Proben von ursprünglichem GMZ-Bentonit und Bentonit/Eisenpulver (vor/nach dem Abbau) wurde nach der folgenden Formel berechnet:

W0 ist das Anfangsgewicht der Probe, W1 das Gewicht der Probe nach der Wasseraufnahme.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

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Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 52173304, Nr. U1867216 und Nr. 51701222) und einem großen Forschungs- und Entwicklungsprojekt der Provinz Liaoning (2020JH1/10100001) unterstützt.

School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology of China, Shenyang, 110016, China

Yupeng Sun

Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institut für Metallforschung, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Shenyang, 110016, China

Yupeng Sun, Yangtao Zhou, Xin Wei, Junhua Dong, Nan Chen und Qiying Ren

Zentrum für fortgeschrittene Mössbauer-Spektroskopie, Mössbauer-Effekt-Datenzentrum, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften, 457 Zhongshan Road, Dalian, 116023, China

Junhu Wang

Environmental Corrosion Center of Materials, Institut für Metallforschung, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Shenyang, 110016, China

Wei Ke

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YS: Methodik, Untersuchung, formale Analyse, Schreiben – Originalentwurf, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. YZ: formale Analyse. XW: Finanzierungseinwerbung, Methodik, formale Analyse, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. JD: Finanzierungseinwerbung, Konzeptualisierung, Schreiben – ursprünglicher Entwurf, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. NC: Formale Analyse. QR: formale Analyse. JW: formale Analyse. WK: Konzeptualisierung.

Korrespondenz mit Xin Wei oder Junhua Dong.

Der Autor gibt keine Interessenkonflikte an.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sun, Y., Zhou, Y., Wei, X. et al. Auswirkungen von Eisenkorrosionsprodukten auf die Verschlechterung der Bentonitstruktur und -eigenschaften. npj Mater Degrad 7, 66 (2023). https://doi.org/10.1038/s41529-023-00380-3

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Eingegangen: 15. März 2023

Angenommen: 23. Juli 2023

Veröffentlicht: 11. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41529-023-00380-3

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