Evaluation of the Tactoid Formation in Clay Systems

Lera består utav små finkorniga lermineraler, vilka utgörs till stor del av elektrostatiskt laddade nanopartiklar, även kallade lerplattor. En lerplatta har en tjocklek på en miljarddels meter och dess diameter kan variera alltifrån fem till tusen gånger större än tjockleken, vilket kan jämföras med ett A4-ark, där kortsidan är tusen gånger större än tjockleken. Denna storleksskillnad ger upphov till att lerplattorna är anisotropa, alltså att de har olika fysikaliska egenskaper i olika riktningar. Vad gäller lermineralens specifika struktur, egenskaper och komposition finns det en stor variation där ingen är den andra lik och detta beror på vilken typ av bergart lermineralen kommer ifrån. I huvudsak består en lerplatta utav ett tetraediskt lager innehållandes kisel som är omgivet av varsitt oktaedriskt lager innehållandes aluminium på båda sidor. Denna struktur är negativ laddad då det förekommer utbyten mellan kisel och aluminium jonerna mot joner med lägre laddning (valens), och för att bibehålla ett neutralt system existerar det positiva joner (motjoner) mellan lerplattorna. Det är denna negativa laddning på lerplattorna och dess motjoner som ger upphov till lerans svällande egenskaper.

Lera används inom många tillämpningsområden, bland annat vid kärnavfallsförvaring, papperstillverkning och vid borrning av gas eller olja. För slutförvaringen av det farliga radioaktiva avfallet från de svenska kärnkraftverken planerar Sverige att placera avfallet i kopparkapslar som skall bäddas in i bentonitlera 500 meter under marken i urberget. Bentonitleran består till huvudsak av lermineralen montmorillonit, och tanken är att denna skall skydda kopparkapseln både fysiskt och kemiskt under väldigt lång tid. På grund utav detta är det mycket viktigt att utvärdera lerans egenskaper samt hur den påverkas av exempelvis jonerna i grundvattnet, temperatur och tryck, allt för att få en förståelse över hur den beter sig under olika faktorer.

I studierna som är presenterade i denna uppsats har lermineralen montmorillonit använts för att undersöka hur dess strukturella egenskaper och svällning beror på andelen divalenta motjoner, temperatur och typ av lösningsmedel, vilka har studerats både teoretiskt med datorsimuleringar samt med olika experimentella tekniker. Exempelvis, strukturen har analyserat med ljusspridning och det osmotiska trycket har mätts med hjälp av tryckmätningar i en test cell. Teoretiskt, har grovkorninga modeller använts för att representera lerplattorna, antingen som två laddade parallella oändliga ytor eller som flera små laddade plattor i en låda. Syftet med simuleringarna är att försöka få en koppling mellan teori och experimentella observationer. Främst har fokus legat på att få en förståelse över hur de elektrostatiska interaktionerna inom systemet påverkar dess struktur och svällning.

Det har visats sig att det är möjligt hitta en övergång ifrån ett repulsivt till ett attraktivt system enbart genom att justera de elektrostatiska interaktionerna i systemet. Detta fångades genom att antingen ändra valensen på motjonerna, från monovalent till divalent, eller genom att ändra lösningsmedlet, från vatten till alkohol. Dessutom, visade det sig att temperaturen har en påverkan på systemet, där det osmotiska trycket antingen kunde vara positivt, negativt eller konstant beroende på temperatur och typ av motjon, vilket kan beskrivas enbart utifrån de elektrostatiska interaktionerna.