Europium sorption experiments with muscovite, orthoclase, and quartz: Modeling of surface complexation and reactive transport

Britz, Susan Marina

For long-term safety analysis of a potential radioactive waste disposal site it is, amongst others, a prerequisite to characterize transport and retardation processes of relevant radionuclides to adequately describe hypothetical release scenarios and to assess the barrier capacity of the contaminant providing rock zone, the geological formation, and the overburden. To simulate migration processes of radionuclides a sound understanding of solid-solution interface reactions is necessary to determine the influence of the geochemical environment on sorption, precipitation, speciation, and dissolution processes. For long-term safety assessments of nuclear waste disposal sites, the behavior of activation and fission products as well as radionuclides from decay chains are of major interest. The trivalent lanthanide europium(III) is a chemical homologue for trivalent actinides such as curium(III) and americium(III). In the field of safety assessments there is still a need for sound data concerning the interaction of minerals with the surrounding solution even for well-known surfaces such as quartz, muscovite, and orthoclase. Up to now only some studies have taken the approach to study the interaction and interrelation of surface charge, surface complexation, and transport processes for trivalent lanthanides and actinides for orthoclase, muscovite, and quartz; and so far only few studies tried to describe all processes under varying geochemical conditions with one set of mineral-specific parameters as it had been done in this study. A vast amount of experiments was carried out and evaluated with mechanistic thermodynamic sorption models; surface complexation parameters of Eu were derived and subsequently used to simulate Eu reactive transport under varying experimental boundary conditions with reactive transport models. It was shown that the approach to simulate different geochemical conditions with one surface complexation parameter set yielded adequate predictions of Eu transport under laboratory and close to nature conditions for quartz systems; for orthoclase Eu transport under the influence of complexing ligands was also satisfyingly represented. This study contributed to fill the gap of sorption and transport data of Eu and, thus, trivalent actinides for ubiquitously present minerals. Expertise in the development of reactive transport models was gained and results offered insight into the transport of trivalent lanthanides and actinides.

Für die Langzeitsicherheitsanalyse potentieller Endlager radioaktiver Abfälle ist unter anderem die Charakterisierung von Transport- und Sorptionsprozessen von relevanten Radionukliden eine Grundvoraussetzung, um hypothetische Freisetzungsszenarien adäquat zu beschreiben und um das Rückhaltevermögen des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs, der geologischen Formationen und des Deckgebirges zu bewerten. Zur Simulation des Migrationsverhaltens von Radionukliden ist ein fundiertes Verständnis von Grenzflächenprozessen notwendig, um den Einfluss verschiedener Umweltbedingungen auf Sorptions-, Ausfällungs-, Speziations- und Lösungsprozesse betrachten zu können. Für die Langzeitsicherheitsanalyse ist das Verhalten von Aktivierungs-, Spalt- und Zerfallsproduktion von höchstem Interesse, wobei das trivalente Lanthanid Europium(III) als chemisches Homolog für die trivalenten Actiniden Curium(III) und Americium(III) verwendet wird. Für die Sicherheitsbewertung von potentiellen Endlagern werden u.a. konsistente Datensätze zur Beschreibung von Feststoff-Flüssigkeit Grenzflächenprozessen benötigt; teilweise auch noch für gut charakterisierte Mineraloberflächen wie zum Beispiel Muskovit, Orthoklas und Quarz. Bisher haben nur wenige Studien die Interaktion von Oberflächenladung, Oberflächenkomplexierung und Transportprozessen untersucht und nur sehr selten wurden alle Prozesse mit einem mineralspezifischen Parameterset beschrieben, wie es in dieser Studie verfolgt wurde. Eine Vielzahl von Experimenten wurde durchgeführt und mittels mechanistischer thermodynamischer Sorptionsmodelle zur Erhebung von Oberflächenkomplexparametern ausgewertet. Diese Parameter wurden anschließend verwendet, um den reaktiven Eu Stofftransport unter variierenden geochemischen Bedingungen zu beschreiben. Es konnte gezeigt werden, dass der Transport von Eu mit einem Parameterset unter Labor- und naturnahen experimentellen Randbedingungen adäquat für Quarzsysteme abgebildet werden konnte. Für Orthoklas konnte der Transport von Eu unter Einfluss von komplexierenden Liganden ebenfalls zufriedenstellend simuliert werden. Diese Studie hat dazu beigetragen, die Wissenslücke von Eu Sorptions- und Transportprozessen für allgegenwärtige Mineraloberflächen zu schließen. Es konnte ein fundiertes Wissen über die Modellierung des reaktiven Stofftransportes entwickelt werden sowie ein Einblick in das Transportverhalten trivalenter Lanthaniden und Actiniden gewonnen werden.

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Britz, Susan: Europium sorption experiments with muscovite, orthoclase, and quartz: Modeling of surface complexation and reactive transport. 2018.

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