ИСТИНА

Использование глин в инженерно-геологических работах, особенно при создании инженерных барьеров безопасности на радиационно-опасных объектах требует комплексного обоснования их долговременной безопасности. Особенное внимание уделяется оценке безопасности глинистым инженерным барьерам при сооружении ПГЗРО и при консервации приповерхностных хранилищ РАО. Одной из причин деградации глинистых материалов, помимо химических и физико-химических факторов могут быть микробные процессы, поскольку микроорганизмы в значительном количестве находятся в самой глине, в геологической среде, в составе вод. При этом глины могут являться источником органического вещества и необходимых элементов для их развития. Данные процессы уже много лет активно изучаются в мире и на сегодняшний день можно сказать, что результате микробного воздействия могут изменяться минеральный состав глинистых минералов, а также химические и физические свойства глин. Данные процессы в условиях хранилищ могут быть низкоинтнесивными, однако на протяжении сотен и тысяч лет, могут вносить значимый вклад. Наиболее перспективным материалом для барьеров считаются бентонитовые глины, поскольку они обладают рядом важных свойств: низкие фильтрационные характеристики, набухаемость и высокая плотность, высокая сорбционная емкость для многих радионуклидов. Целью данной работы была оценка биогенных изменений фильтрационных и сорбционных свойств образцов хакасского бентонита, месторождения 10 хутор, которое планируется использовать в российском ПГЗРО «Енисейский» а также в ряде других объектов. В качестве основного материала в работе была использована полиминеральная бентонитовая глина компании «Бентонит» хакасского месторождения 10 хутор. Навеску глины массой 100 мг помещали во флакон 250 мл, в который наливалась вода, отобранная из скважины, находящейся на территории будущего ПГЗРО «Енисейский»(Красноярский край) состава (мг/л): HCO 3 – 173,8, CO 2 – 16,2, K + - 2,04, Na + - 52,62, Mg 2+ - 14,9, Ca 2+ - 11,3. Интенсивность протекания микробных процессов в глинистых материалах зависит от состава глин, в первую очередь от содержания биофильных элементов (K, Na, Mg, Ca, Fe, Mn, Co, Zn, Cu, Ni и Мо), а также от содержания сопутствующих минералов. Микробные процессы в зависимости от доминантной глинистой фазы могут приводить как к процессу илитизации, так и смектизации глинистых минералов, причем в обоих процессах ключевую роль играет микробное восстановление и выщелачивание железа. Например, процесс формирования смектита из каолинита, происходит в богатом катионами (Mg, Na, Ca, K, NH4) каолините, где за счет микробного восстановления железо выщелачивается в виде Fe2+, что приводит дефициту положительного заряда слоя. Этот процесс является основным в преобразовании или разрушении глинистых минералов, так как при его выщелачивании их межслоевого пространства изменяется заряд слоя, что приводит к изменению структурной решетки минерала, а также может привести к ее разрушению и образованию аморфного кремнезема. В условиях данного эксперимента и при использовании методов XRD-анализа и ДСК/ТГ/ДТГ преобразование одного минерала в другой не наблюдается, однако обнаружено разрушение монтмориллонита и некоторых сопутствующих минералов (КПШ, плагиоклазы). Замечено значительное обрастание образца микробными биопленками и двукратное увеличение органического вещества. Наблюдаются изменения физикохимических свойств, а именно агрегация глинистых частиц за счет образования микробных биопленок, что приводит к прочности на одноосное сжатие и ухудшению фильтрационных свойств. Микробное преобразование образца привело к снижению коэффициента распределения для цезия почти на порядок, и значительное увеличение сорбционной емкости для урана и нептуния, за счет обрастания полисахаридными микробными биопленками. Через 30 суток на микробном образце обнаружено большее количество живых клеток и биопленок по сравнению с исходным. При визуальном осмотре было обнаружено изменение цвета и образование локальных черных вкраплений, что говорит об активном микробном процессе, а также о накоплении минеральных новых фаз. По данным рентгенофазового анализа (XRD) за полгода микробного воздействия видимых преобразований глинистых минералов не было обнаружено, при этом был установлен факт частичного растворения сопутствующих минералов КПШ и плагиоклаза. Отмечено общее увеличение рентгеноаморфности биологически обработанного образца, что может быть связано с частичным растворением глинистых минералов. По данным ДСК/ТГ/ДТГ содержание монтмориллонита снизилось на ~5%, обнаружено образование аморфного кремнезема Обнаружен выход в раствор как обменных катионов, так и структурных элементов кремния и алюминия, что говорит о частичном разрушении кристаллической решетки глинистых минералов. Максимальный коэффициент выщелачивания наблюдали для магния, кальция, железа. При этом содержание серы и марганца в растворе уменьшилось, что может говорить об образовании биогенных сульфидных фаз. В преобразованном микробами образце обнаружено снижение количества более мелких частиц и увеличение числа крупных, что говорит об агрегации частиц между собой при обрастании органическим полисахаридом. Подобные изменения также привели к повышению прочности на одноосное сжатие. Также в следствие агрегации частиц, образования аморфной кремнистой фазы и изменения обменнокатионной емкости за счет перераспределения катионно-обменных элементов в результате микробного преобразования привело к изменению свойств фильтрационных и сорбционных свойств глины. Установлено снижение коэффициента фильтрации образца, по сравнению c исходным Максимальная сорбционная емкость для U и Np наблюдалась в анаэробных условиях. Сорбционное равновесие в анаэробных условиях для Урана было достигнуто где-то к 7 суткам в микробном образце и на ~15 сутки в исходном образце. В аэробных условиях в микробном образце сорбционное равновесие достигнуто не было, в исходном образце было достигнуто к 7 суткам. При этом коэффициент распределения (Kd) отличался на порядок. В биологических образцах значение коэффициента распределения в 2 раза превышает не биологические. Коэффициент распределения (Kd) для аэробных и анаэробных условий отличался на 2 порядка. В микробном и исходном образцах отличия не превышали 10%. В целом увеличение сорбционной емкости для актинидов связано с образованием органических функциональных групп микробных биопленок. Эффективность сорбции Cs упала в 4 раза, что может быть связано с уменьшением содержания монтмориллонита и блокировкой межслоевого расстояния, в которое может проникнуть Cs, за счет обрастания поверхности.