An experimental investigation of thermal, hydraulic and chemical effects on the erosion of compacted bentonite
Sıkıştırılmış bentonitin erozyonu üzerindeki termal, hidrolik ve kimyasal etkilerin deneysel olarak incelenmesi
- Tez No: 846659
- Danışmanlar: DR. Ahmad Syed Mohd Syed
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Unıversıty Of Manchester Instıtute Of Scıence And Technology (umıst)
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Geoteknik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Sıkıştırılmış bentonit, kristal kayalardaki yüksek seviyeli radyoaktif atıkların jeolojik bertarafında tampon ve dolgu malzemesi olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, kırılmış bir kaya ile sıkıştırılmış bentonit arasındaki arayüzde yeraltı suyu etkileşimleri kil tamponun erozyonuna neden olabilir. Yüksek sıcaklık ve hidro-kimyasal etkiler de dahil olmak üzere çevresel koşulların erozyon süreci üzerindeki etkilerinin anlaşılması, mühendislik bariyer sistemlerinin tasarımı ve performans değerlendirmesi için çok önemlidir. Bu tezde sunulan araştırma, bir dizi laboratuvar ölçekli deneysel inceleme yoluyla sıkıştırılmış bentonitin erozyonu üzerindeki termal, hidrolik ve kimyasal etkiler hakkında yeni bilgiler sağlamayı amaçlamaktadır. Sıkıştırılmış bentonit disklerin 2 mm ve 3 mm açıklıklardan su akışı ile erozyonunu incelemek için deney sistemleri tasarlanmış ve inşa edilmiştir. Deney programı, farklı akış hızları, su kimyası, kuru yoğunluklar, kırılma açıklığı değerleri ve sıcaklıklar altında hem saflaştırılmış hem de ham bentoniti içeriyordu. Aşınan bentonit kütlesinin miktarı, düzenli aralıklarla atık su numunelerinden Dinamik Işık Saçılımı (DLS) ve Bulanıklık Ölçer Ölçümü (TMM) kullanılarak karakterize edilmiştir. Ayrıca, deney boyunca numunelerin şişmesi de kaydedilmiştir. Bentonit partiküllerinin kolloid sistemlerdeki kararlılığı hakkında açıklama sağlayan DLVO teorisi kullanılarak sonuçların kısmi bir karşılaştırması yapılmıştır. Ayrıca, İsveç Nükleer Yakıt ve Atık Yönetimi Şirketi tarafından kullanılan bariyer erozyon denklemi ile hesaplanan aşınmış bentonit kütlesi deneylerden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçlar, aşınan bentonit partiküllerinin kütlesinin sıcaklık, kırık açıklığı ve akış hızındaki artışla birlikte arttığını göstermiştir. Aşınan bentonit kütlesi, 3 mm açıklığa sahip sıkıştırılmış bentonitin bulanıklık ölçer ölçümlerinde 24 günlük bir süre boyunca akış hızı kademeli olarak 0,02 ml/dak'dan 0,22 ml/dak'ya çıkarıldığında %356 oranında artmıştır. DLS ölçümlerinde, akış hızı 0,09 ml/dak'dan 0,22 ml/dak'ya çıkarıldığında, aşınmış bentonit kütlesi %15 oranında artmıştır. Bulanıklık ölçer ölçümlerinde, 18 gün boyunca 0,061 ml/dak akış hızı altında oda sıcaklığından 80 Santigrat sıcaklığa geçildiğinde elde edilen aşınmış bentonit kütlesi %22 oranında artmıştır. Öte yandan, bulanıklık ölçer ölçümleri için aynı şekilde, 18 gün boyunca 0,22 ml/dak akış hızı altında oda sıcaklığından 80 Santigrat sıcaklığa geçildiğinde, aşınmış bentonit kütlesi bulanıklık ölçer ölçümlerinde %24, DLS ölçümlerinde ise %146 oranında artmıştır. Bu durum, sıcaklığın etkisinin aşınan bentonit kütlesini önemli ölçüde artırdığını ve bu nedenle göz ardı edilmemesi gerektiğini göstermiştir. Yeraltı suyunun iyonik gücü arttığında, aksesuar minerallerin yüzdesi arttığında ve kuru yoğunluk arttığında aşınan bentonit partiküllerinin miktarının azaldığı görülmüştür. Su kimyası 0,22 ml/dak akış hızı altında damıtılmış sudan 0,05 NaCl'e yükseltildiğinde, oluşan aşınmış bentonit kütlesi 2180 mg'dan 275 mg'a düşmüştür. Aralarında 8 katlık bir fark vardır. Bentonitin minerolojisinin de aşınmış bentonit kütlesi üzerinde önemli bir etkisi olmuştur; nispeten daha yüksek oranda smektit içeren bentonit, aşınmış bentonit kütlesini TMM ölçümlerinde 15 kat, DLS ölçümlerinde ise 4 kat artırmıştır.
Özet (Çeviri)
Compacted bentonite is used as a buffer and backfill material in geological disposal of high-level radioactive waste in crystalline rocks. However, groundwater interactions at the interface between a fractured rock and compacted bentonite can cause the erosion of the clay buffer. Understanding the effects of environmental conditions including the elevated temperature and hydro-chemical effects on the erosion process is crucial for the design and performance assessment of the engineering barrier systems. The research presented in this thesis aims to provide new insights into the thermal, hydraulic, and chemical impacts on the erosion of compacted bentonite through a series of lab-scale experimental investigations. Experimental systems were designed and constructed to study the erosion of compacted bentonite discs by water flow through 2mm and 3 mm apertures. The experimental programme included both purified and raw bentonite under different flow rates, water chemistry, dry densities, fracture aperture values, and temperatures. The amount of the eroded bentonite mass was characterised using Dynamic Light Scattering (DLS) and Turbidity Meter Measurement (TMM) from effluent samples at regular intervals. In addition, the swelling of the samples was captured throughout the experiment. A partial comparison of results was carried out by using the DLVO theory, which provided explanation on the stability of bentonite particles in colloid systems. Further, the mass of eroded bentonite calculated by the barrier erosion equation used by The Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company were compared with the results obtained from the experiments. The experimental results showed that the mass of bentonite particles eroded increased with the increase in temperature, fracture aperture and flow rate. The mass of eroded bentonite increased by 356% when the flow rate was gradually increased from 0.02 ml/min to 0.22 ml/min over a period of 24 days in the turbidity meter measurements of compacted bentonite with 3-mm aperture. In DLS measurements, when the flow rate was increased from 0.09ml/min to 0.22ml/min, mass of eroded bentonite increased by 15%. The mass of eroded bentonite obtained when changing from room temperature to 80 Celsius temperatures under 0.061 ml/min flow rate for 18 days increased by 22% in turbidity meter measurements. On the other hand, the same for the turbidity meter measurements, when changing from room temperature to 80 Celsius temperatures under 0.22 ml/min flow rate for 18 days, the mass of eroded bentonite increased by 24% in turbidity meter measurements and 146% in DLS measurements. This showed that the effect of temperature significantly increases the mass of eroded bentonite and thus should not be ignored. It has been observed that the amount of bentonite particles eroded decreases when the ionic strength of the groundwater is increased, the percentage of accessory minerals is increased, and the dry density is increased. When the water chemistry was increased from distilled water to 0,05 NaCl under a flow rate of 0.22 ml/min, the mass of eroded bentonite occurred decreased from 2180 mg to 275 mg. There is an 8-fold difference between them. The minerology of bentonite also had significant effect on the mass of eroded bentonite; bentonite with comparatively higher proportion of smectite increased mass of eroded bentonite by 15 times in TMM and 4 times in DLS measurements.
Benzer Tezler
- Lignoselülozik biyokütlenin inorganik bileşenlerinin uzaklaştırılmasının kül özellikleri üzerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect on ash properties of removal of inorganic components from lignocellulosic biomass
ÖVÜL HALİL ÇÖP
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HANZADE AÇMA
- Ortalama hafif agrega boyutunun yarı hafif betonların dona dayanıklılığı üzerindeki etkileri
The Effect of light weight aggregate fraction on the freezing-thawing resistance of semi-light weight concretes
GÜL HATİCE ÖZTÜTÜNCÜ
- Geogrid-donatılı kum zemine oturan temellerin taşıma kapasitesi
Bearing copacity of footings on geogrid-reinforced sand
TEMEL YETİMOĞLU
- Isı değiştirgeçlerinde nanoakışkan kullanımının termal ve hidrolik etkilerinin deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of thermal and hydraulic performance of a plate heat exchanger using Al2O3 nanofluid
UFUK KAYABAŞI
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine MühendisliğiTobb Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADIK KAKAÇ
PROF. DR. SELİN ARADAĞ ÇELEBİOĞLU
- Niyobyum borür katkılı Al5Si hibrit tozların ve kompozitlerin mekanik alaşımlama ve basınçsız sinterleme yöntemleriyle geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Developing and characterization of niobium boride reinforced Al5Si hybride powders and composites with mechanical alloying and pressureless sintering methods
EZGİ BURCU ERDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LÜTFİ ÖVEÇOĞLU