Untersuchungen der Sorptionsprozesse von Uran(VI) an Mineraloxiden bei höheren Temperaturen

Die vorliegende Diplomarbeit entstand vom 15.04.2012 bis zum 15.10.2012 in der Abteilung Grenzflächenprozesse des Instituts für Ressourcenökologie des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf.
Für abgebrannte Brennelemente aus Kernkraftwerken wird neben der Wiederaufarbeitung vor allem die direkte Endlagerung als Entsorgungskonzept verfolgt. Die Endlagerbehälter korrodieren während der Einlagerungszeit, sodass der uranhaltige Abfall in die Geosphäre eintreten kann und dort physikalischen und chemischen Einflüssen ausgesetzt ist. Hohe Bedeutung kommt hier der Bildung von Hydroxo- und Carbonatokomplexen des Uranyl-Ions (UO22+) zu, welche die Chemie des Urans in wässrigen Systemen (Grundwasser) dominieren.
Die einzelnen Komplexe weisen dabei je nach Zusammensetzung unterschiedliche Affinität zu natürlichen Oberflächen – wie zum Beispiel Mineraloberflächen – auf, wobei die Beschaffenheit sowohl dieser Grenzflächen als auch der Koordinationssphäre des UO22+-Ions starke Temperatur- und pH-Anhängigkeiten zeigen. In der vorliegenden Arbeit wurde vorrangig der Temperatureinfluss auf die Sorptionsprozesse des Uran(VI) an Mineraloxidoberflächen im Temperaturbereich zwischen 25 °C und 60 °C eingehend untersucht. Dies wurde mittels zweier experimenteller Ansätze bewerkstelligt: Die Infrarot-Spektroskopie liefert Informationen zu Art und Struktur der infolge Sorption gebildeten Oberflächenkomplexe, während klassische Batch-Versuche zur Betrachtung des Verteilungsgleichgewichts zwischen gelöstem und sorbiertem Uran nützlich sind. Als Modelloberflächen für natürliche Gesteine und Minerale dienten verschiedene Metalloxide wie TiO2, SiO2, α-Fe2O3, γ-Al2O3 und γ-Al(OH)3.
Die schwingungsspektroskopischen Versuche wurden im schwach sauren pH-Bereich von 5 bis 6 durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Zusammensetzung der Oberflächenkomplexe in Abhängigkeit von der Temperatur stark ändert: Bei höheren Temperaturen nimmt der Anteil koordinativ gebundener Komplexe gegenüber elektrostatisch gebundenen zu. Auch zwischen den einzelnen Oxiden wurden deutliche Unterschiede festgestellt: Während z. B. bei TiO2 elektrostatisch gebundene Komplexe von U(VI) vorherrschen, sind bei α-Fe2O3 und γ-Al(OH)3 eher die koordinativ gebundenen Komplexe zu finden. Der Carbonat-Anteil in den sorbierten Komplexen nimmt mit steigender Temperatur meist ab, lediglich α-Fe2O3 zeigte hier ein abweichendes Verhalten. Auch in den Batch-Versuchen verhielten sich die untersuchten Oxide im pH-Bereich von 2,5 bis 7 recht unterschiedlich: Wurde beispielsweise bei TiO2 eine verbesserte Sorption bei höherer Temperatur gefunden, war es bei SiO2 umgekehrt, während das Verteilungsgleichgewicht zwischen Fest- und Flüssigphase bei γ-Al(OH3), γ-Al2O3 und α-Fe2O3 durch die Temperatur eher schwach beeinflusst wurde. Grundsätzlich wurde bei steigendem pH-Wert eine Verschiebung des Gleichgewichts in Richtung Festphase beobachtet, nur bei γ-Al2O3 war ein Minimum bei pH ≈ 3 zu verzeichnen.
Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimente konnten die Temperatur- und pH-Abhängigkeit der Sorption von U(VI)-Komplexen an verschiedenen Oxiden weiter beleuchten, aber es besteht noch ein großer Bedarf an weiteren Experimenten, insbesondere zur Untersuchung der Sorptionsvorgänge in stark saurem oder basischem Milieu.