Ενίσχυση της κατακρήμνισης γύψου σε συμπιεσμένο μοντμοριλονίτη με χρήση ηλεκτροκινητικής μεθόδου
Παρά τις προόδους στη χημεία των διαλυμάτων, λίγα είναι γνωστά για τις χημικές αντιδράσεις σε περιορισμένα πορώδη μέσα όπως ο συμπαγής άργιλος, όπου η αναλογία του υγρού είναι πολύ μικρότερη από αυτή του στερεού. Σε αυτή τη μελέτη, η καθίζηση γύψου σε συμπαγή αργίλου χαμηλής διαπερατότητας διερευνήθηκε μέσω μιας νέας ηλεκτροκινητικής μεθόδου.
Ο μοντμοριλονίτης είναι ένα ορυκτό αργίλου και έχει αρνητικό φορτίο σε δομή στιβάδας. Το αρνητικό φορτίο αντισταθμίζεται από ανταλλάξιμα κατιόντα (κυρίως ιόντα Na και Ca) τοποθετημένα μεταξύ των στρωμάτων, που ονομάζονται μοντμοριλλονίτης αναμεμειγμένος με Na/Ca. Τα ανταλλάξιμα κατιόντα στον μοντμοριλλονίτη ενυδατώνονται όταν έρχονται σε επαφή με το νερό, προκαλώντας τη διόγκωση του ορυκτού. Η ιδιότητα διόγκωσης είναι κατάλληλη για διάφορα εμπόδια, συμπεριλαμβανομένων των φύλλων επένδυσης (GCLs:geosynthetic clay liners) και ρυθμιστικών υλικών για τη γεωλογική διάθεση ραδιενεργών αποβλήτων υψηλής ραδιενέργειας. Στο τελευταίο, η κατανόηση των μακροπρόθεσμων (δεκάδων χιλιάδων ετών) χημικών αντιδράσεων στον συμπιεσμένο μοντμοριλλονίτη είναι σημαντική για την αξιολόγηση των αλλαγών στις λειτουργίες φραγμού.
Γύψος (CaSO4 ･2H2 Ο) είναι ένα κοινό ορυκτό και χρησιμοποιείται από τον άνθρωπο από την αρχαιότητα. Παραδείγματα εφαρμογών για γύψο περιλαμβάνουν την αρχιτεκτονική (π.χ. πυρίμαχη σανίδα), τη γεωργία (π.χ. πρόσθετο εδάφους για τη βελτίωση της περιεκτικότητας σε ασβέστιο) και ιατρικές και οδοντιατρικές εφαρμογές (π.χ. γύψο και καλούπι οδοντοστοιχίας). Ο γύψος είναι μια από τις φτωχά διαλυτές φάσεις θειικού ασβεστίου που σχηματίζεται υπό συνθήκες περιβάλλοντος. Η αντίδραση κατακρήμνισης μπορεί να γραφτεί ως μια απλή εξίσωση,
Η ανεπιθύμητη κατακρήμνιση γύψου που ονομάζεται «υδατική κλίμακα» είναι προβληματική σε βιομηχανικούς τομείς και έχει διερευνηθεί από τον δέκατο ένατο αιώνα, σε προσπάθειες κατανόησης και ελέγχου της κατακρήμνισης από μια λύση.
Σε αυτή τη μελέτη, επιλέχθηκε η γνωστή αντίδραση κατακρήμνισης γύψου για τη διερεύνηση της χημικής αντίδρασης σε συμπιεσμένο μοντμοριλλονίτη. Λόγω της χαμηλής διαπερατότητάς του, είναι δύσκολο να κατακρημνιστεί ο γύψος με συμβατικές μεθόδους διάχυσης ή υδραυλικές. Αντίθετα, η ηλεκτροκινητική μέθοδος ενισχύει την κατακρήμνιση γύψου ως SO4 Τα ιόντα μεταναστεύουν προς την αντίθετη κατεύθυνση από εκείνη του Ca υπό μια κλίση ηλεκτρικού δυναμικού (ηλεκτρικό ρεύμα).
Στο πείραμα, ο μοντμοριλλονίτης αναμεμειγμένος με Na/Ca κορεσμένος με νερό ήταν σε επαφή με Na-montmorillonite κορεσμένος με 0,5 M Na2 SO4 λύση. Μετά την εφαρμογή ρεύματος, τα ιόντα Na και Ca μετανάστευσαν στην κάθοδο (-) και αντίθετα, SO4 ιόντα μετανάστευσαν στην άνοδο (+). Ορισμένα ιόντα ασβεστίου συνάντησαν SO4 ιόντων και καταβυθίζεται ως γύψος. Το Ca και το SO4 κορυφές αναδύθηκαν γύρω από την επιφάνεια επαφής, υποδεικνύοντας βροχόπτωση γύψου στην περιοχή.
Η κατακρήμνιση γύψου εξετάστηκε χρησιμοποιώντας μικροανάλυση με ηλεκτρονιακό ανιχνευτή (EPMA) που διεξήχθη 0-1 mm από την επιφάνεια επαφής. Ένα μεγάλο συσσωμάτωμα μεγέθους περίπου 300 μm διείσδυσε στην υφή του μοντμοριλλονίτη. Η λευκή κηλίδα που παρατηρήθηκε στην εικόνα του οπισθοσκεδασμένου ηλεκτρονίου (BSE) ήταν σε καλή συμφωνία με το Ca και το S στους στοιχειώδεις χάρτες, υποδηλώνοντας ότι ο γύψος κατακρημνίστηκε στην περιοχή. Αντίθετα, το Si, το Al και το Mg που προέρχονται από τη δομή του μοντμοριλλονίτη απουσίαζαν από το σημείο. Το σύνολο αναπτύχθηκε σε μια πολύ διακλαδισμένη δομή που μοιάζει με φράκταλ προσθέτοντας τυχαία κινούμενο Ca και SO4 ιόντα ως πρώτες ύλες, η οποία μπορεί να είναι μια διαδικασία που ονομάζεται συσσωμάτωση περιορισμένης διάχυσης.
Η κατακρήμνιση γύψου και η χημεία των πόρων του νερού συζητήθηκαν λεπτομερώς με βάση ένα μοντέλο που περιλαμβάνει αποκλεισμό ανιόντων, ανταλλαγή κατιόντων και σχηματισμό ζευγών ιόντων. Αποδείχθηκε ότι η κατακρήμνιση γύψου στον συμπαγοποιημένο άργιλο χαμηλής διαπερατότητας ενισχύθηκε επιτυχώς χρησιμοποιώντας μια ηλεκτροκινητική μέθοδο. Ελπίζεται ότι αυτή η νέα μέθοδος και η συζήτηση για την κατακρήμνιση γύψου θα βοηθήσουν σε μελλοντικές εργασίες που αφορούν τη χημεία των πόρων του νερού σε συμπιεσμένο άργιλο και άλλα πορώδη μέσα.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Καταβύθιση γύψου ενισχυμένη με ηλεκτροκινητική μέθοδο και χημεία πόρων νερού σε συμπιεσμένο μοντμοριλλονίτη, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Applied Clay Science. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Shingo Tanaka από το Hokkaido University.
