Zinc and lead pollution are public environmental issues that have attracted lots of attention for a long time. Landfill leachate contains heavy metals, such as Zn(II) and Pb(II), which are usually related to the pollution of groundwater, especially in developing countries. Bentonite has been proven to be effective in enhancing the membrane property of clay, by which landfill liners can have better barrier performance towards the migration of contaminants. In this study, 5% sodium bentonite amended with locally available Fukakusa clay was utilized to evaluate the membrane behavior towards the heavy metals zinc and lead. The chemico-osmotic efficiency coefficient, ${\omega}$, was obtained through Zn(II) and Pb(II) solutions with different concentrations of 0.5, 1, 5, 10, and 50 mM. According to the results, ${\omega}$ continually decreased as the Zn(II) and Pb(II) concentrations increased, which is consistent with the Gouy-Chapman theory. Compared to normal inorganic ions, the membrane behavior towards heavy metal ions was lower. The migration of heavy metal ions was not observed based on experimental results, which can be attributed to the adsorption or ion exchange reaction. The mechanisms of the membrane performance change were discussed with the assistance of XRD patterns, free swelling results, XRF results, and SEM images.
An engineered barrier system (EBS) for the deep geological disposal of high-level radioactive waste (HLW) is composed of a disposal canister, buffer material, gap-filling material, and backfill material. As the buffer fills the empty space between the disposal canisters and the near-field rock mass, heat energy from the canisters is released to the surrounding buffer material. It is vital that this heat energy is rapidly dissipated to the near-field rock mass, and thus the thermal conductivity of the buffer is a key parameter to consider when evaluating the safety of the overall disposal system. Therefore, to take into consideration the sizeable amount of heat being released from such canisters, this study investigated the thermal conductivity of Korean compacted bentonites and its variation within a temperature range of 25 ℃ to 80-90 ℃. As a result, thermal conductivity increased by 5-20% as the temperature increased. Furthermore, temperature had a greater effect under higher degrees of saturation and a lower impact under higher dry densities. This study also conducted a regression analysis with 147 sets of data to estimate the thermal conductivity of the compacted bentonite considering the initial dry density, water content, and variations in temperature. Furthermore, the Kriging method was adopted to establish an uncertainty metamodel of thermal conductivity to verify the regression model. The R2 value of the regression model was 0.925, and the regression model and metamodel showed similar results.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.9
no.4
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pp.199-206
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2011
The influence of water salinity on the hydraulic conductivities of compacted bentonites with several dry densities were studied. The hydraulic conductivity increases with increasing salinity only when the dry density of bentonite is relatively low. The degree of increase becomes more remarkable at a lower dry density of bentonite. For bentonite with the density of 1.0 $Mg/m^3$ and 1.2 $Mg/m^3$, the hydraulic conductivity of the 0.4 M NaCl solution increases up to about 7 times and 3 times, respectively higher than that of freshwater. However, for the bentonite with a dry density higher than 1.4 $Mg/m^3$, the salinity has an insignificant effect on the hydraulic conductivity, and the hydraulic conductivity is nearly constant within the salinity range of 0.04 to 0.4 M NaCl. The pre-saturation of the bentonite specimen with freshwater has no significant influence on the hydraulic conductivity.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.6C
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pp.377-384
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2006
Theoretical and experimental study of the unconfined penetration (UP) test was conducted to suggest a new test method (referred to as IUP, Improved Unconfined Penetration) for determination of the tensile strength of compacted sand-bentonite mixtures. The tensile strength of compacted mixtures can be calculated from limit analysis based on the theory of perfect plasticity. The measurement errors in new test method were reduced by improving the UP device. Preliminary experiment results indicate that the tensile strength increases with increasing the disk size, loading rate and pH level. In addition, the disk diameter with 25.4 mm and the loading rate with 0.5%/min~1%/min are most suitable condition for the IUP test. The reliability of IPU test was verified by through the fact that good agreement between the IUP and conventional split tensile test results is observed.
The one-dimensional finite element program was developed to analyze the coupled behavior of heat, moisture, and air transfer in unsaturated porous media. By using this program, the simulation results were compared with those from the laboratory infiltration tests under isothermal condition and temperature gradient condition, respectively. The discrepancy of water uptake was found in the upper region of a bentonite sample under isothermal condition between numerical simulation and laboratory experiment. This indicated that air pressure was built up in the bentonite sample which could retard the infiltration velocity of liquid. In order to consider the swelling phenomena of compacted bentonite which cause the discrepancy of the distribution of water content and temperature, swelling and shrinkage factors were incorporated into the finite element formulation. It was found that these factors could be effective to represent the moisture diffusivity and unsaturated hydraulic conductivity due to volume change of bentonite sample.
The physicochemical, mineralogical, hydraulic, swelling and mechanical properties of a domestic bentonite for use as the buffer material in a high-level waste repository have been measured. The bentonite is identified to be a Ca-bentonite, and the hydraulic conductivity of the compacted bentonite with the dry density higher than 1.4 Mg/㎥ is lower than 10$^{-11}$ m/s When the dry densities are 1.4 to 1.8 Mg/㎥, the swelling pressures are in the range of 6.6 to 143.5 kg/$\textrm{cm}^2$. The unconfined compressive strength is about 94 kg/$\textrm{cm}^2$, and the coefficient of volume change and the coefficient of consolidation are in the range of 0.O0249 to 0.02142 $m^2$/MN and 0.018 to 0.115$m^2$/year, respectively.
A geological repository has been considered as an option for the disposal of high-level radioactive waste (HLW). The HLW is disposed in a host rock at a depth of 500~1,000 meters below the ground surface based on the concept of engineered barrier system (EBS). The EBS is composed of a disposal canister, buffer material, backfill material, and gap-filling material. The compacted bentonite buffer is very important since it can restrain the release of radionuclide and protect the canister from the inflow of ground water. The saturation of the buffer decreases because high temperature in a disposal canister is released into the surrounding buffer material, but saturation of the buffer increases because of the inflow of ground water. The unsaturated properties of the buffer are critical input parameters for the entire safety assessment of the engineered barrier system. In Korea, Gyeongju bentonite can be considered as a candidate buffer material, but there are few test results of the unsaturated properties considering temperature variation. Therefore, this paper conducted experiment of soil-water characteristic curve for the Gyeongju compacted bentonite considering temperature variation under a constant water content condition. The relative error showed approximately 2% between test results and modified van-Genuchten model values.
The buffer is one of the major components of an engineered barrier system (EBS) for the disposal of high-level radioactive waste (HLW). As the buffer is located between a disposal canister and host rock, it is indispensable to assure the disposal safety of high-level radioactive waste. It can restrain the release of radionuclide and protect the canister from the inflow of groundwater. Since high quantity of heat from a disposal canister is released to the surrounding buffer, thermal properties of the buffer are very important parameters for the analysis of the entire disposal safety. Especially, temperature criteria of the compacted bentonite buffer can affect the design of HLW repository facility. Therefore, this paper investigated thermal properties for the Kyungju compacted bentonite buffer which is the only bentonite produced in South Korea. Hot wire method and dual probe method were used to measure thermal conductivity and specific heat capacity of the compacted bentonite buffer according to the temperature variation. Thermal conductivity and specific heat capacity were decreased dramatically when temperature variation was between $22^{\circ}C{\sim}110^{\circ}C$ as degree of saturation decreased according to the temperature variation. However, there was little variation under the high temperature condition at $110^{\circ}C{\sim}150^{\circ}C$.
In the present design concept of a high-level waste repository, the bentonite and bentonite-sand mixture are considered as the buffer and backfill material. For the Kyungju bentonite which is a candidate material, the thermal conductivities of compacted bentonite and bentonite-sand mixture were measured. A correlation has been proposed to predict the thermal conductivity of the Kyungju bentonite and the bentonite-sand mixture as a function of the dry density, the water content and the sand fraction. The proposed correlation can predict the thermal conductivity with a difference less than 10% under the experimental conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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