Kinetics of Cs sorption to clay minerals

Abstract

Preliminary data of kinetic sorption experiments are presented. Batch sorption experiments with the aim of estimation of distribution coefficient (Kd) values were conducted using natural clay minerals from the Šaltiškiai quarry and two sets of solutions with different caesium concentrations (C(Cs) = 2.30[...]10[...]10 mol/l and C(Cs) = 6.80[...]10[...]5 mol/l). Kinetic sorption experiments indicated insignificant variation of sorption parameters depending on the chemical composition of groundwater and clay minerals. Speciation studies showed the high content (up to 70%) of exchangeable caesium in experiments with high caesium concentrations. Results of kinetic tracer experiments and sequential extraction studies revealed differences in sorption mechanisms depending on the Cs concentration. Data obtained from sorption-desorption experiments were used to model sorption process by applying the kinetic 4-box model to describe the cation exchange processes on three sites of clay minerals with distinctly different selectivity. The obtained forward and backward exchange rate constants were used to calculate apparent equilibrium constants, which ranged from 1 to 26 and the highest ones were found for reversible sites.

Pateikti parengtiniai gerties kinetikos eksperimentinių tyrimų rezultatai. Naudojant natūralaus molio ėminius iš Šaltiškių karjero (šiaurės Lietuva) ir dviejų skirtingų cezio koncentracijų (C(Cs) = 2,30[...]10[...]10 mol/l ir C(Cs) = 6,80[...]10[...]5 mol/l) tirpalus, buvo eksperimentiškai tirta gertis Cs pasiskirstymo koeficientams (Kd) įvertinti. Iš tų tyrimų rezultatų paaiškėjo, kad priklausomai nuo gruntinio vandens ir molio mineralų cheminės sudėties gerties parametrai kinta nežymiai. Eksperimentuojant su didelėmis cezio koncentracijomis, buvo aptiktas didelis (iki 70%) pakaitinio cezio kiekis. Kinetikos eksperimentų ir nuoseklios ekstrakcijos tyrimų rezultatai atskleidė gerties mechanizmų skirtumų priklausomybę nuo Cs koncentracijos. Rezultatai, gauti iš gerties-atvirkštinės gerties eksperimentų, buvo naudojami gerties vyksmams modeliuoti, taikant kinetinį keturių dėžučių modelį, atvaizduojantį katijonų mainų vyksmus trijose molio mineralų gerties vietose, kur gerai išreikšti atrankumo skirtumai. Surastos gerties reakcijų spartos konstantos buvo naudojamos apskaičiuojant pusiausvyros konstantas, kurios kito nuo 1 iki 26. Didžiausios jų vertės gautos mineralų grįžtamosios gerties vietose.