Je leest:

Natuurlijk spanningsverschil beïnvloedt watertransport in klei.

Natuurlijk spanningsverschil beïnvloedt watertransport in klei.

Auteur: | 19 mei 2005

Het transport van water door klei kan sterk afhankelijk zijn van natuurlijke elektrische spanningsverschillen in de kleilaag. Dat stelde Katja Heister vast in een onderzoek bij de faculteit Geowetenschappen van de Universiteit Utrecht, waarop ze 30 mei promoveert. De uitkomsten van haar onderzoek zijn van belang voor nieuwe modellen voor watertransport, die onder andere relevant zijn voor het berekenen van de verspreiding van stoffen rond afvalstortplaatsen. Heister onderzocht ook een kleisoort in België waarin wellicht radioactief afval wordt opgeslagen.

Het transport van water en de daarin opgeloste stoffen door kleilagen speelt een belangrijke rol in de Nederlandse bodem. Denk bijvoorbeeld aan natuurlijke processen zoals het indringen van zeewater in het grondwater van kustgebieden. Maar ook onder minder ‘natuurlijke’ omstandigheden is het zeer relevant, zoals bij de verspreiding van stoffen vanuit verontreinigde bagger of afvalstortplaatsen en de opslag van radioactief of giftig afval in diepe kleilagen.

Aan de Universiteit Utrecht beschikt de groep voor Milieugeochemie en Bodemchemie van de faculteit Geowetenschappen over relevante expertise op dit gebied. De afgelopen jaren is daar veel aandacht besteed aan onderzoek naar de invloed van semipermeabiliteit van klei en kleiige sedimenten op het transport van water en de verspreiding van verontreinigingen. Een aantal jaren geleden kwam onderzoeker Thomas Keijzer al tot de conclusie dat osmotische processen aanleiding kunnen geven tot het onverwacht uitlekken van verontreinigingen uit de baggerstort in de Slufter op de Maasvlakte. Vergelijkbare problemen doen zich voor bij de toepassing van klei in afdichtende lagen onder vuilstorten.

Baggeropslag in de Slufter

Spanningsverschillen

Katja Heisters onderzoek biedt nu een aanvulling op het werk van Thomas Keijzer. Ze gebruikte een gewijzigde experimentele opstelling die de mogelijkheid biedt het effect van spanningsverschillen in de kleilaag te bestuderen. “Eigenlijk hangt alles met elkaar samen”, zegt Heister in een toelichting op haar onderzoek. “Waterdruk en verschillen in zoutconcentraties geven op allerlei manieren aanleiding tot het transport van water en de daarin opgeloste stoffen. Als je niet aan alle aspecten aandacht besteedt, kun je het niet op adequate wijze modelleren.”

Watertransport in de bodem is niet alleen het gevolg van waterdruk, maar ook van verschillen in zoutconcentratie en van elektrische spanning. Dit wordt chemische osmose en elektro-osmose genoemd. Elektro-osmose kan het gevolg zijn van zowel een verschil in waterdruk als een verschil in (zout)concentratie. Beide veroorzaken een elektrisch spanningsverschil over de kleilaag dat respectievelijk stromingspotentiaal (als gevolg van waterdruk) en membraanpotentiaal (als gevolg van concentratieverschillen) wordt genoemd. De kleilaag gedraagt zich in feite als een soort semi-permeabel membraan – in zekere zin vergelijkbaar met de wand van een biologische cel.

Heister voerde haar onderzoek uit in het kader van het TRIAS programma van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk onderzoek (NWO). In haar project werkt ze samen met twee andere onderzoekers; Ana Maria Garavito van de Vrije Universiteit richt zich daarbij op veldonderzoek en Sam Bader (net als Heister ook van de Universiteit Utrecht) probeert met de computer het watertransport zo goed mogelijk te modelleren. De via gecontroleerde laboratoriumexperimenten verkregen data en parameters van Katja Heister zijn daarbij onmisbaar.

Radioactief afval

Uit Heisters laboratoriumexperimenten bleek de invloed van stromings- en membraanpotentialen op het transport van water en daarin opgeloste zouten zeker niet verwaarloosbaar. Ze gebruikte verschillende soorten klei, zoals een commercieel verkrijgbare vorm van Wyoning-bentoniet en de zogenaamde Boomse klei die in Noordoost België te vinden is. In beide kleisoorten kwamen significante spanningsverschillen (stromings- en membraanpotentialen) aan het licht. Deze veroorzaken een tegenstroom van water en zouten door de klei en beïnvloeden zo de semi-permeabele eigenschappen.

Het onderzoek aan de Boomse klei heeft praktische betekenis voor het Belgische onderzoek naar de mogelijkheden van ondergrondse opslag van laag- of middelactief en langlevend radioactief afval in kleilagen. Dat wordt uitgevoerd door het StudieCentrum voor Kernenergie (SCK•CEN) in Mol en de Nationale Instelling voor Radioactief Afval en verrijkte Splijtstoffen (NIRAS) in Brussel. De Belgen onderzoeken de opslag in klei omdat ze niet beschikken over zoutformaties (lagen of koepels) of kristallijne gesteenten zoals graniet. De laboratoriumgegevens van Heister zijn relevant omdat ze bijdragen aan een nauwkeurige modellering van het transport van water (en eventuele verontreinigingen) door de kleilagen op de lange termijn.

De Belgen bestuderen de mogelijkheid van radioactief opslag in een netwerk van ondergrondse betonnen bergingsgalerijen uitgegraven in de weinig verharde laag Boomse klei. Deze galerijen zouden verbonden worden met één of meer centrale galerijen die toegankelijk zijn via putten. De tekening verbeeldt de status van het concept in juni 2004.De vaten met geconditioneerd afval worden eerst in groep in een grote betonnen container geplaatst. In de container wordt cementmortel gegoten om de ruimtes tussen de vaten op te vullen. Hierdoor wordt een schijf gevormd die het vervoer van het afval tot in de bergingsgalerijen en de eventuele recuperatie ervan vergemakkelijkt; deze schijf vormt tevens een eerste barrière tussen het afval en de biosfeer.De berginginstallatie bestaat uit een netwerk van ondergrondse betonnen bergingsgalerijen waarin de schijven worden geborgen. Als alle galerijen gevuld zijn, wordt de installatie volledig afgesloten met een opvullingsmateriaal. Daarmee is de berginginfrastructuur volledig geïsoleerd van de buitenwereld.De belangrijkste barrière waarop de veiligheid van de bergingsinstallatie berust, is de geologische laag waarin de installatie zou kunnen worden gebouwd, dit wil zeggen de weinig verharde kleilaag. Aangezien deze barrière weinig waterdoorlatend is en een sterk retentievermogen voor radionucliden heeft, zou ze in principe moeten volstaan om de veiligheid op korte en op lange termijn te waarborgen.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 19 mei 2005

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.