Untersuchungen zur Radionuklidsorption an Tonmineraloberflächen bei hohen Ionenstärken Zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN (Dr. rer. nat.) Fakultät für Chemie und Biowissenschaften Karlsruher Institut für Technologie (KIT) - Universitätsbereich genehmigte DISSERTATION von Dipl.-Chem. Andreas Schnurr aus Achern, Deutschland Dekan: Prof. Dr. Willem Klopper Referent: Prof. Dr. Horst Geckeis Korreferent: Prof. Dr. Thorsten Schäfer Tag der mündlichen Prüfung: 23.10.2015 Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung – Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 Deutschland Lizenz (CC BY-SA 3.0 DE): http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/ Erklärung Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet habe. Darüber hinaus versichere ich, dass alle Stellen der Arbeit, die wörtlich oder sinngemäß aus anderen Quellen übernommen wurden, als solche kenntlich gemacht sind und dass die Arbeit in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner Prüfungsbehörde vorgelegt wurde. Die Satzung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) zur Sicherung guter wissenschaftlicher Praxis wurde in der jeweils gültigen Fassung beachtet. Datum, Ort Unterschrift Danksagung Die vorliegende Arbeit wurde im Zeitraum von August 2012 bis Oktober 2015 unter der Leitung von Herrn Prof. Dr. Horst Geckeis am Institut für Nukleare Entsorgung am Karlsruher Institut für Technologie durchgeführt. Herrn Prof. Dr. Horst Geckeis danke ich für die äußerst interessante Themenstellung, für wertvolle fachliche Diskussionen sowie für die ausgezeichnete wissenschaftliche Betreuung in dieser Zeit. Ich möchte mich bei Prof. Dr. Thorsten Schäfer für die Übernahme des Koreferats bedanken. Herrn Dr. Thomas Rabung möchte ich für die ständige, fast tägliche, Diskussionsbereitschaft, konstruktive Kritik, sowie experimentellen Ideen danken, die ausschlaggebend zum Erfolg dieser Arbeit beigetragen haben. Herrn Dr. Johannes Lützenkirchen danke ich sehr für die Unterstützung dieser Arbeit, speziell für die Hilfe mit der Modellierung salinarer Lösungen. Praktische und theoretische Unterstützung habe ich von Frank Geyer (stellvertretend für die Analytik-Gruppe), Dr. Marie Marques Fernandes (LES-PSI), Dr. Rémi Marsac, Dr. Xavier Gaona, Dr. David Fellhauer, Dr. Frank Friedrich, Dr. Nicolas Finck, Dr. Andreas Bauer, Tanja Kisely, Melanie Böttle (alle INE-KIT), Nora Groschopf (Johannes Gutenberg Universität Mainz), Dr. Annett Steudel (IFG-KIT) erhalten, denen ich hiermit meinen Dank ausspreche. Weiterhin danke ich Gerd Christill, Thorsten Hoffmann und Ilonca Bachmann für die stets sichere, zuverlässige und zügige Zusammenarbeit im Kontrollbereich. Ich möchte Andreas Neumann, Volker Krepper und seinem gesamten Team der Werkstatt für die sehr schnelle und reibungslose Abwicklung jeglicher Problemstellungen danken. Allen nicht namentlich erwähnten Mitarbeitern des INE danke ich für das stets sehr nette und angenehme Arbeitsklima. Nicht zuletzt danke ich meiner Familie, meinen Freunden und Verwandten, sowie meiner Freundin Katja Hinz, die mich in jeder Lebenslage immer unterstützt haben. Zusammenfassung Im Kontext eines Endlagers für radioaktive Abfälle in tiefen geologischen Formationen stellt die Sorption an Mineralphasen und insbesondere an Tonmineraloberflächen einen wichtigen Rückhaltemechanismus für Actiniden dar, welcher in den letzten Jahrzehnten intensiv unter- sucht wurde. Allerdings wurden diese Untersuchungen meist nur bei geringen Hintergrundelektrolytkonzentrationen (Imax = 0,1 M) durchgeführt. In den Jura- bzw. Unterkreidetonlagerstätten in Norddeutschland sowie in Sedimentlagerstätten in Kanada, die ebenfalls als Endlagerwirtsgesteine diskutiert werden, sind allerdings deutlich höhere Salzkonzentrationen zu erwarten. Die Anwendbarkeit eines in der Literatur beschriebenen und bisher nur auf niedrige Ionenstärke angewandten Sorptionsmodells für Tone (2SPNE SC/CE) soll im Rahmen dieser Arbeit auch für höhere Ionenstärken (I > 1,0 M) getestet werden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Sorptionsuntersuchungen von drei-, fünf- und sechswertigen Actiniden (Cm(III) bzw. Eu(III) als dreiwertiges Analogon aus der Reihe der Lanthaniden, Np(V) und U(VI)). Die Arbeiten wurden an mehreren wichtigen, natürlichen Tonmineralien (Kaolinit, Illit, Montmorillonit) und Opalinuston sowie einem synthetischen eisenfreien Montmorillonit unter Variation der Hintergrundelektrolytkonzentration und -zusammensetzung ([NaCl]max = 4,0 M, [MgCl2]max = 2,0 M und [CaCl2]max = 4,0 M) unter CO2 Ausschluss durchgeführt. Eu(III), Np(V), U(VI) Batchsorptionsexperimente und Laserfluoreszenzuntersuchungen mit Cm(III) (TRLFS) wurden für den pHc-Bereich 3 - 12 (für MgCl2 bis pHc = 9) durchgeführt. Die experimentell erhaltenen Sorptionsdaten zeigen für Eu(III) einen geringen Einfluss der -1 Salinität auf die resultierenden log KD-Werte (KD in L∙kg ), speziell im neutralen bis hoch alkalischen pHc-Bereich. Im sauren Medium ist ein signifikanter Rückgang der Eu(III) Sorption mit steigender NaCl Konzentration zu beobachten, da die vorherrschende Kationenaustauschreaktion mit steigender Na+-Konzentration in Lösung unterdrückt wird. Dieser Effekt ist auch in allen untersuchten Systemen in CaCl2 und MgCl2 zu beobachten. Nichtsdestotrotz wird eine nahezu quasi quantitative Rückhaltung (log KD ≥ 4,5) für alle Systeme bei pHc > 8 erreicht. TRLFS-Untersuchungen mit Cm(III) in salinaren Systemen deuten auf keine signifikanten Veränderungen der ersten Koordinationssphäre des Metallions hin, sodass die Oberflächenspeziation des Cm(III) nicht durch erhöhte Ionenstärken beein- flusst wird. Identische Oberflächenspezies werden ebenfalls in dem Sorptionsmodell (2SPNE SC/CE) angenommen und dieses ist in der Lage, die Sorption von Eu(III) im gesamten pHc- und Ionenstärkebereich gut zu beschreiben. Aktivitätsänderungen aufgrund der VII erhöhten Ionenstärke wurden dabei mittels des Pitzer-Ansatzes berücksichtigt (Anpassung der Aktivitätskoeffizienten der Lösungsspezies und Aktivitäten des Wassers). Die Actinyl-Kationen (Np(V) und U(VI)) hingegen zeigen experimentell keine signifikante Ionenstärkeabhängigkeit der Sorption über den gesamten pHc-Bereich. Wie zu erwarten, ist die Sorption des Np(V) verglichen mit den anderen Kationen relativ niedrig und beginnt bei pHc ~ 8 (> 20%), erreicht aber dennoch quasi quantitative Rückhaltung (> 95%) für pHc > 10. Die experimentellen Untersuchungen zeigen keinerlei Einfluss weder durch die Änderung der Ionenstärke ([NaCl] = 0,1 - 4,0 M), die Variation der Np(V) Konzentration ([Np] = 1,6 ∙ 10-8 - 3,2 ∙ 10-6 M) noch durch verlängerte Kontaktzeiten (7 - 90 Tagen) des Np(V) mit dem Tonmineral. Simulierte Rechnungen mit Hilfe des 2SPNE SC/CE Modells können die Np(V) Sorptionskanten gut beschreiben, lediglich eine minimale Ionenstärkeabhängigkeit wird im alkalischen pHc-Bereich (> 10) vorhergesagt, welche nicht in den experimentellen Daten beobachtet wurde. Die Sorptionskanten der U(VI) Systeme sind vergleichbar mit denen des Eu(III) Systems. Sie sind allerdings durch die leicht stärkere Hydrolyse ein wenig zu niedrigeren pHc-Werten verschoben. Unter den experimentellen Bedingungen ist kein signifikanter Ionenaustausch zu beobachten, die pH abhängige Sorption beginnt (> 20%) bei pHc ~ 4. Innerhalb des pHc-Bereiches 6 - 11 ist der Rückhalt an den Tonmineralien quasi quantitativ (> 99,5%). Bei noch höheren pHc-Werten, bei der die wässrige Speziation durch die zweifach negativ 2- geladene U(VI) Spezies (UO2(OH)4 ) dominiert wird, sinkt die Sorption wieder ab. Modellvorhersagen für die U(VI) Sorption, die mit Hilfe des 2SPNE SC/CE Modells durchge- führt wurden, stimmen mit den experimentellen Werten bis pHc ~ 7 gut überein. Das Modell beschreibt für höhere pHc-Werte eine etwas geringere Sorption, mit einer Ionenstärkeabhängigkeit, die allerdings nicht mit den experimentellen Ergebnissen überein- stimmt. Schließlich lässt sich zusammenfassen, dass unter salinaren Bedingungen in Abwesenheit von Carbonat mit einer starken Rückhaltung von drei-, fünf- und sechswertigen Radionukliden an Tonmineralien zu rechnen ist. Das verwendete 2SPNE SC/CE Modell ist in der Lage, mit entsprechender Ionenstärkekorrektur für gelöste Spezies nach Pitzer, die experimentellen Daten zu beschreiben. VIII Abstract Actinide retention at clay mineral surfaces is a well-established process, which has been intensely investigated in the context of nuclear waste disposal. Up to now, however, almost no experimental data for actinide sorption at elevated ionic strength is available in the literature. In addition, also no mechanistic sorption model exists that reliably describes actinide uptake at elevated ionic strength (I > 1 M). Such conditions are to be expected e. g. in the vicinity of a repository in rock salt formations, in the Jurassic and lower Cretaceous clay rock layers in Northern Germany and in sedimentary layers in Canada, which are identified as potential host rock for the disposal of high level nuclear waste. Within the present study, the uptake of actinides (Cm(III) and the trivalent analogue lanthanide Eu(III), Np(V) and U(VI)) onto kaolinite, illite, montmorillonite, a synthetic iron free montmorillonite and an Opalinus clay sample was investigated in dilute to concentrated saline systems ([NaCl]max = 4.0 M, [MgCl2]max = 2.0 M and [CaCl2]max = 4.0 M) in the absence of CO2 (Ar glovebox). Eu(III), Np(V), U(VI) batch sorption experiments and Cm(III) time-resolved laser