Sorption and Diffusion of Se(IV) Species in Crystalline Rock : Experimental studies and Model Development

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7534-2
Title: Sorption and Diffusion of Se(IV) Species in Crystalline Rock : Experimental studies and Model Development
Author: Li, Xiaodong
Other contributor: Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Science, Radiochemistry Unit, Department of Chemistry
Kemian ja molekyylitutkimuksen tohtoriohjelma
Doktorandprogrammet i kemi och molekylära vetenskaper
Doctoral Programme in Chemistry and Molecular Research
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-10-15
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7534-2
http://hdl.handle.net/10138/334551
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The sorption on the pore surfaces of the bedrock and diffusion into the low porous rock matrix are the two most significant processes that retard radionuclides migration through the water-conducting fractures of the crystalline rock. Se-79 is considered as one of the main contributors to dose-to-man and it has a high impact on the cumulative radioactive dose in a spent nuclear fuel repository. Due to its long half-life and high mobility, sound scientific and technical knowledge are needed to better understand the processes and related mechanisms that determine the Se transport behaviour in bedrock. Therefore, the focus of this dissertation is on the studies of sorption and diffusion properties of Se(IV) species in bedrock with applications of both experimental and modelling approaches. The work can be divided into two parts, according to the different research objectives. In the first part, the sorption behaviour of Se(IV) species on Grimsel granodiorite and its main minerals, plagioclase, K-feldspar, quartz and biotite were investigated in Grimsel groundwater simulant which has a low ionic strength. Results show that biotite has a much larger specific surface area (SSA) than the other main minerals of granodiorite and the Se sorption on biotite can represent its sorption on the whole bedrock. Thus, a multi-site surface complexation model for Se(IV) sorption onto biotite was developed based on experimental data from titration and sorption experiments. Molecular modelling was used to deduce some basic modelling parameters, such as site densities and site types. The technique of PHREEQC coupling with Python was used to calculate and optimize the fitting processes. In the second part of this work, diffusion properties of Se(IV) sepcies in intact rock core were investigated by an updated electromigration device and modelling analysis. The traditional electromigration device was updated by the introduction of a potentiostat to impose a constant voltage difference over the rock sample and by stabilizing the pH of the background electrolytes. To interpret the experimental results with more confidence, an advection-dispersion model was developed by accounting for the most important mechanisms governing the movement of the tracer ions, i.e. electromigration, electroosmosis and dispersion.Sorptio kallion mineraalien pintoihin ja diffuusio alhaisen huokoisuuden omaavaan kiveen ovat kaksi merkittävintä prosessia, jotka hidastavat radionuklidien kulkeutumista kallion vettä johtavissa raoissa. Se-79:ää pidetään yhtenä tärkeimmistä radioaktiivisen annoksen aiheuttajista, ja sillä on suuri vaikutus pitkällä aikavälillä käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituslaitoksen kumulatiiviseen annokseen. Se-79:n pitkän puoliintumisajan ja suuren liikkuvuuden vuoksi tarvitaan vankkaa tieteellistä ja teknistä tietämystä Se:n kulkeutumisen ja pidättymis mekanismien ymmärtämiseksi kallioperässä. Tässä väitöskirjassa tutkitaanSeleenin hapetusasteella IV esiintyessään sorptio- ja diffuusio-ominaisuuksia kallion mineraaleissa kokeellisten ja mallinnusmenetelmien avulla. Työ voidaan jakaa kahteen osaan eri tutkimustavoitteiden mukaisesti. Ensimmäisessä osassa tutkittiin Se(IV):npidättymistä Grimselin granodioriitissa ja sen päämineraaleissa, plagioklaasissa, kalimaasälvässä , kvartsissa ja biotiitissa. Kokeet tehtiin Grimselin pohjavesi simulantissa, Tulokset osoittavat, että Se:n sorptio biotiittiin on suurta, koska biotiitin ominaispinta-ala (SSA) on muihin mineraaleihin verrattuna korkea ja biotiitti voi edustaa Se:n sorptiota karkeasti koko kalliossa. Kokeellisten tulosten perusteella kehitettiin monipaikkainen pintakompleksaatumismalli Se(IV):n sorptiolle biotiittiin. Molekyylimallinnusta käytettiin joidenkin mallinnuksen perusparametrien, kuten paikkojen tiheyksien ja paikkatyyppien, päättelemiseksi. Sovitusprosessien laskemiseen ja optimointiin käytettiin Python-ohjelmalla yhdistettyä PHREEQC-mallinnustekniikkaa. Työn toisessa osassa tutkittiin Se(IV):nliikkuvuutta ehjässä kalliossa päivitetyllä elektromigraatiolaitteella. Perinteinen elektromigraatiolaite päivitettiin ottamalla käyttöön potentiostaatti, jolla kivinäytteelle asetettiin vakiojännite-ero, ja vakautettiin taustaelektrolyyttien pH. Jotta kokeellisia tuloksia voitaisiin tulkita luotettavammin, kehitettiin advektio-dispersiomalli, jossa otetaan huomioon merkkiaineionien liikkumista ohjaavat tärkeimmät mekanismit eli elektromigraatio, elektroosmoosi ja dispersio.
Subject: xiaodong Li from Radiochemistry Unit, Department of Chemistry, will have his defence on 15.10.2021 at Chemicum A129. The topic of the public dissertation is “Sorption and Diffusion of Se(IV) Species in Crystalline Rock: Experimental studies and Model Development”
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
li_xiadong_dissertation_2021.pdf 2.274Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record