PRECIPITACIÓN DE HIDRÓXIDO S y SILICATOS DE MAGNESIO

MACLA
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XXVI R E U N iÓN (SEM) / XX R E U N iÓN (SEA)
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2006
PRECIPITACIÓN DE HIDRÓXIDO S y SILICATOS DE
MAGNESIO EN BENTONITA COMPACTADA POR
DIFUSIÓN DE DISOLUCIONES ALCALINAS
R. FERNÁNDEZ, L. SÁNCHEZ, J. CUEVAS, R. VIGIL D E L A VILLA
y
S . LEGUEY
Dpto. Geología y Geoquímica. Facultad de Ciencias. Universidad Autónoma de Madrid. Campus Cantoblanco. 28049 Madrid, España.
redrculación
INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo se analiza el comportamiento de la
bentonita compactada en contacto con hormigón. Ambos
materiales serán empleados como barreras de ingeniería en
un Almacenamiento Geológico Profundo (AGP) de residuos
radiactivos de alta actividad. Para ello, se estudian las trans­
formaciones mineralógicas y los procesos geoquímicos en
una columna de bentonita compactada a 1 .65 g/cm 3 (densi­
dad seca) en contacto con una disolución sintética que simu­
la las condiciones alcalinas de un hormigón. El objetivo con­
siste en analizar los fenómenos de transporte reactivo aso­
ciados a la difusión de disoluciones alcalinas en la bentonita.
D o s d i s oluciones a l c al i n a s se han e m p l e a d o : una
hiperalcalina (K-Na-OH) que simula la degradación del hor­
migón en el repositorio a corto plazo (-100 años) y otra
alcalina, saturada en Ca(OH) z, que simula el envejecimiento
del hormigón a largo plazo (miles de años). La temperatura
de tratamiento (60 ºC) es la que se prevé que alcance el siste­
ma durante los primeros 1 000 años.
Ensayos previos con bentonita compactada a menor den­
sidad (Fernández et al., 2006), han constatado la importancia
de estudiar los procesos asociados al movimiento de
magnesio d e s d e las p o si ciones d e intercambio de la
esmectita hacia la interfase con el hormigón, donde se in­
corpora como fase mineral en forma de hidróxido y/o
silicato, por ello, la arcilla utiliz ada (bentonita de «La
Serrata» ) fue previamente saturada en magnesio mediante
sucesivos lavados con MgCl2 .
DISEÑO EXPERIMENTAL Y MÉTODOS
El experimento consiste en permitir la difusión de disolu­
ciones alcalinas a través de una probeta de bentonita
compactada, cuyas dimensiones son de 7 cm de diámetro x
2.1 cm de espesor, confinadas en celdas cilíndricas de teflón
con extremos permeables.
Un extremo de la bentonita se encuentra en contacto con
una disolución similar a la utilizada para saturar la bentonita
en magnesio (aproximadamente MgCl2 0.6M) Y el otro extre­
mo interacciona con la disolución alcalina sintética, que se
recircula por el extremo alcalino de la celda (Figura 1).
Cuando ha transcurrido el tiempo de ensayo, se desman­
telan las celdas para analizar la fase sólida. Dado que la
reactividad esperada es muy pequeña, se optó por raspar el
extremo alcalino de la pastilla hasta obtener un peso equiva­
lente a secciones de 1 mm, de las cuales se han obtenido 4.
Una quinta sección la constituye el resto de la pastilla. Asi­
mismo, se ha cortado una sección longitudinal para prepa-
disolución
si ntética
(K-:'\a-Ol l
o
Ca(OJ-ll<)
bentonita
compartada
MgC I2 0.6 :v1
(sat ura da en Mg)
1 .65 g/cm '
2.1 cm
Figura 1 : Diseño es­
quemático de los ex­
perimentos de difu­
sión en celdas.
rar el estudio de microscopía. L a caracterización
mineralógica d e las diferentes secciones se determina me­
diante: microscopía electrónica de barrido con análisis de
energías dispersivas de rayos X (MEB-EDX) y difracción de
rayos X (DRX) . Las propiedades físico-químicas se determi­
nan a partir de los resultados de los análisis de: superficie
específica, porosidad, capacidad de intercambio catiónico y
cationes de cambio.
RESULTADOS
Se han realiz ado dos ensayos a 60 ºC y 180 días. La
reactividad geoquímica de la bentonita en contacto con la
disolución hiperalcalina (K-Na-OH; pH= 13.5) se ha caracte­
rizado realizando perfiles de difracción de rayos-X (DRX)
desde el extremo alcalino hacia el interior de la probeta. (Fi­
gura 2 ) . Los cuatro perfiles, muestran que en la zona de
interfase (1 .00 mm) quedan fases de esmectita magnésica a
la vez que se observan esmectitas K-Na. Esto indica que han
quedado zonas sin alterar (zonas con esmectita saturada en
Mg) . A medida que avanzamos en profundidad, la esmectita
se hace K-Na (cationes mayoritarios en la disolución), prue­
ba de que el frente de intercambio catiónico se hace homogé­
neo . Es evidente que a 5 mm sólo existe intercambi o
c a t i ó n i c o , sin que s e a p r e cien t r a n s fo r m a c i o n e s
mineralógicas. Por otra parte, l a zona de interfase s e caracte-
albita
¡
o
5
10
15
25
20
30
28° (Cu2K"j
35
Figura 2: Perfiles de difracción de rayos-X realizados en fun­
ción de la distancia desde el extremo hiperalcalino.
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50
10
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25
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28° (Cu2K(,)
35
Figura 3 : Cristales laminares (brucita, hidrotalcita)
riza por presentar sectores endurecidos de unos 3 mm de
espesor, coincidentes con los canales de distribución de la
disolución. Estos sectores, son muy ricos en magnesio (Figu­
ra 3). Los análisis realizados sobre estos cementos son com­
patibles con la presencia de fases de tipo brucita (Mg(OHh o
hidrotalcita (Mg3/4Al l /4 (OHh (C03 ) l /s (H 20) ¡/2 ) '
Con objeto de confirmar e l espesor afectado por l a trans­
formación mineralógica (formación de hidróxidos) se ha
preparado una sección pulida en la que se ha realizado un
o
-o
'§
*
--
D600H 1
60
o
N a20x 1 0
SiO
.
� ..
.
MgO --- AI203
K Ox1 0
.'
- .,,; .....J.',.",.,. � .
40
30
20
10
o
1 000
o
2000
3000
4000
d ista ncia desde el frente alca lino
5000
(flm)
Figura 4: Perfiles de composición química en la interfase de la
disolución alcalina (K-Na-OH) y la bentonita compactada.
a)
100
360 di�
Bnldta ­
Cuano -t-lallDlorillonitn·t-lg
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Chnbnzitn·J.: -Tnko _ . . _ .. -
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0 01
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EoI'HOf ,I� b. nlo"it. ( m )
0 005
0 02
001
0 01 5
0 02
Figura 5: a) Simulación de la composición mineral en la columna de bentonita en con tacto con la disolución K­
Na-OH durante 3 60 días. b) Distribución de cationes intercambiables en el mismo experimento.
perfil de análisis químico de elementos mayores con un gran
detalle a partir del análisis de 66 zonas consecutivas de 38
mm de largo. La Figura 4 muestra la distribución de elemen­
tos en función de la distancia. Se realizaron análisis hasta
identificar la terminación del frente de transformación.
En el perfil se aprecia cómo, aproximadamente a 2.4 mm,
es donde se sitúa la interfase reactiva. El frente es muy neto
y se d e t e c t a p o r el incremento de s í l i c e y alúmina
(montmorillonita) y por el descenso en la concentración de
magnesio. También es importante el incremento de potasio,
al pasar a ser éste el catión de cambio de la esmectita, de
acuerdo con los perfiles de difracción obtenidos.
Con respecto a la reactividad geoquímica de la bentonita
en contacto con la disolución alcalina (Ca(OHh; pH= 12.5),
no se observan cambios visibles en la apariencia de la pasti­
lla de bentonita. Como era de esperar, la reactividad de este
ensayo es menor que en el caso anterior, sin embargo, la su­
perficie específica aumenta en los 5 primeros milímetros de
interfase desde valores de 75. 26±0.42 m 2fg hasta valores de
95. 08±1 . 1 6 m2/g.
SIMULACIÓN GEOQUÍMICA
El código CRUNCHFLOW (Steefel, 200 1 ) se ha em­
p l e a d o p a r a r e a l i z a r un m o d e l o de s i m u l a c i ó n
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geoquímica sobre la reactividad observada en la colum­
na de bentonita en contacto con la disolución K-N a-OH
a 60 ºc. Los primeros resultados, tomados sobre un pe­
riodo de 360 d í a s, predi cen tanto l a precipitación del
m a g n e s i o i n t e r c a m b i a b l e e n f o r m a d e hi d r ó x i d o
(bru cita), c o m o su incorp o r a ción en l a estructura
octaédrica de nuevos silicatos (chabazita-K, talco ) . L a
desap arición de magnesio del complej o d e cambio de l a
e s m e c t i t a viene a c o m p a ñ a d a p o r un incremento e n
potasio proveniente de la disolución hiper alcalina que
afecta a un espesor de 5 mm. (Figura 5 a y b). Estos re­
sult a d o s (mine r a l e s neofor m a d o s y extensión d e l a s
transformaciones geoquímicas) deben perfeccionarse en
el futuro a m e d i d a que se vayan ajustando las leyes
cinéticas que rigen el comportamiento de las fases que
p articip an en la reacción.
REFERENCIAS
Fernández, R, Cuevas, J., Sánchez, L., Vigil de la Villa, R y
Leguey, S. (2006). Applied Ceochemistry, En Prensa.
Steefel, C. 1. (20 0 1 ) . CIMRT, version 1 . 2 : Software for
modeling multicomponent, multidimensional reactive
transport. Use r 's Cuide, UCRL-MA-143182. (Livermore,
California) .