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Basic studies for the incorporation of uranium in sediments

Koroleva, Margarita

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Abstract

Uranium migration in natural aqueous systems is an ongoing concern in environmental research. Investigation on sorption interactions with soil, sediments and rocks are important to understand uranium mobility, in order to correct U/Th dating methods in open systems. Uranium immobilization is possible due to reduction U(VI) to U(IV), adsorption or co-precipitation. Under oxidizing environmental conditions, uranium typically occurs in the hexavalent form as the mobile, aqueous uranyl ion (UO22+). Moreover, depending from environmental conditions, uranium forms carbonate complex such as UO2(CO3)22- or UO2(CO3)34- . Uptake of such dissolved metal contaminants by many fine-grained mineral phases (clays, oxides, and hydroxides) is most commonly achieved by adsorption. For carbonates recent evidence suggests that incorporation into solids (co-precipitation) dominant uptake. Uranium sorption experiments were carried out with lake sediment and aragonite samples. All experiments were conducted using the uranium isotope 232U under ambient pressure and room temperature at different pH. Sediment samples were obtained from an artificial lake (Willersinnweiher, SW Germany). This lake has relatively high uranium concentration in water and sediment columns. The lake has two seasonally different redox conditions in the water column, which were simulated in the lab. To understand uranium behaviour an artificial uranium isotope was added into the water column. The experiments were conducted at ambient pressure and room temperature. After reaction time the uranium concentration was measured in the water column, in pore water and in sediment column. The results indicate in both cases 80 % of uranium saturated into the sediments. But in oxygenated water uranium penetrated deeper into the sediment. Adsorption experiments show that adsorption of uranium by the lake sediment is strongly pH dependent, and that adsorption at low and high pH is minimal; the maximum adsorption occurs near neutral pH. The experiments of uranium uptake by aragonite powder were conducted at pH range 6-11. These experiments show also the strongly pH dependence and maximum of uranium uptake is at pH 7 (98%). Also experiments regarding (1) the influence of major seawater elements on uranium uptake, (2) uranium transport and (3) kinetic of uranium uptake by aragonite were conducted. Uranium uptake by powdered aragonite is fast (less than 0.3 hours). The content of Mg2+ in solution highly decreases the process of uranium incorporation. Numerical modeling of the process of U(VI) sorption by sediment was conducted. This study shows that the surface complexation model DLM can predict the major three types of uranium behaviours: (1) the increase of uranium adsorption at pH range between 5 and 6.5, (2) the maximum of adsorption at nearly neutral pH and (3) the decrease of uranium adsorption between pH 8 and 11.

Translation of abstract (German)

Die Mobilität von Uran in der Natur ist von anhaltender Bedeutung in der Umweltforschung. Eine Untersuchung von Sorptionswechselwirkungen mit Böden, Lockersedimenten und Festgesteinen sind zwingend notwendig, um Uranmobilität besser zu verstehen. Nicht zuletzt für die Korrektur von U/Th Datierungen in offenen Systemen ist dies von großer Wichtigkeit. Die Immobilisierung von Uran wird ermöglicht durch Reduktion von U(VI) zu U(IV), durch Adsorbtion oder durch Niederschlag. Im oxidierenden Umweltmilieu kommt Uran normalerweise als hexavalente Form in dem gelösten mobilen Uranyl-Ion (UO22+) vor. Außerdem kann Uran auch Karbonatkomplexe wie UO2(CO3)22- und UO2(CO3)34- bilden, in Abhängigkeit von den Umweltbedingungen. Die Aufnahme dieser gelösten metallischen Verunreinigungen durch feine Mineralphasen (Tone, Oxide und Hydroxide) geht meistens durch Adsorption von statten. Bei Karbonaten ist laut jüngster Ergebnisse die Einlagerung in Feststoffe der dominante Aufnahmevorgang (Niederschlag). Experimente zum Uranverhalten in limnischen Lockersedimenten und in Aragonit wurden durchgeführt. Die Experimente fanden in Raumtemperatur unter Umgebungsdruck bei verschiedenen pH-Bedingungen statt. Die Sedimente eines künstlichen Sees (Willersinnweiher, SW Germany) wurden beprobt. Dieser See hat eine relativ hohe Urankonzentration in Wasser und Sediment. Zwei jahreszeitlich verschiedenen Redoxbedingungen der Wassersäule wurden im Labor simuliert. Nach Zugabe des künstlichen Uranisotops 232U in die Wassersäule wurde nach einer bestimmten Reaktionszeit die Konzentration jeweils in der Wassersäule, im Porenwasser und im Sedimentpaket gemessen. Das Resultat ist unter beiden Redoxbedingungen eine 80% Uransättigung im Sediment. Jedoch dringt Uran im sauerstoffreichen Wasser tiefer in das Sediment ein. Die Adsorption von Uran durch Seesedimente ist stark von der pH-Bedingung abhängig. Maximale Adsortion läuft bei annähernd neutralem pH ab, während geringe Adsorption bei hohen und tiefen pH-Werten stattfindet. Experimente zur Uranaufnahme von Aragonitpulver wurden im pH-Bereich von 6 bis 11 durchgeführt. Hier wurde ebenfalls eine starke pH-Abhängigkeit nachgewiesen, mit einer maximalen Aufnahme von 98% bei pH 7. Ebenso wurden Experimente bezüglich (1) des Einflusses wichtiger Meerwasserelemente auf die Uranaufnahme, (2) Transport von Uran und (3) Kinetik der Uranaufnahme durch Aragonit durchgeführt. Ergebnisse sind, dass Uranaufnahme in Aragonitpulver schnell abläuft (in weniger als 0,3 Stunden), und dass der Gehalt von gelöstem Mg2+ den Prozess der Uraneinarbeitung beträchtlich herabsetzt. Eine numerische Modellierung der U(VI)-Sorption durch Sedimente wurde durchgeführt. Mit dem Oberflächen-Komplexbildungs-Modell ist eine Voraussage der drei wichtigen Verhaltensweisen von Uranadsorption möglich: (1) den Anstieg der Uranadsorption zwischen pH 5 bis 6.5, (2) das Adsorptionsmaximum bei nahezu neutralem pH-Wert und (3) der Adsoptionsabfall zwischen pH 8 und 11.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Prof. Mangini, Augusto
Date of thesis defense: 13 June 2005
Date Deposited: 14 Jun 2005 11:48
Date: 2005
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: uranium adsorption
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