溶液化学の進歩にもかかわらず、液体の割合が固体の割合よりもはるかに少ない圧縮された粘土のような閉じ込められた多孔質媒体での化学反応についてはほとんど知られていません。この研究では、透水性の低い圧縮粘土における石膏の沈殿が、新しい動電学的方法によって調査されました。
モンモリロナイトは粘土鉱物で、層状構造でマイナスの電荷を持っています。負電荷は、Na/Ca 混合モンモリロナイトと呼ばれる層の間に挟まれた交換可能な陽イオン (主に Na および Ca イオン) によって補償されます。モンモリロナイトの交換可能な陽イオンは、水と接触すると水和し、鉱物を膨張させます。その膨潤性は、ライナーシート（GCL：Geosynthetic Clay Liners）や高レベル放射性廃棄物の地層処分用緩衝材など、さまざまなバリアに適しています。後者では、圧縮されたモンモリロナイトにおける長期 (数万年) の化学反応を理解することが、バリア機能の変化を評価するために重要です。
石膏 (CaSO4 ・2H2 O)はありふれた鉱物で、古来より人類が利用してきました。石膏の用途の例としては、建築（耐火ボードなど）、農業（カルシウム含有量を改善するための土壌添加剤など）、医療および歯科用途（石膏模型や義歯の型など）が挙げられます。石膏は、周囲条件下で形成される難溶性の硫酸カルシウム相の 1 つです。沈殿反応は、単純な式として記述できます。
「ウォータースケール」と名付けられた望ましくない石膏の沈殿物は、産業分野で問題となっており、溶液からのその沈殿物を理解し、制御するために、19 世紀から調査されてきました。
この研究では、圧縮されたモンモリロナイトの化学反応を調査するために、よく知られている石膏沈殿反応が選択されました。透過性が低いため、従来の拡散法や水圧法では石膏を沈殿させることが困難です。対照的に、動電学的方法は、SO4 として石膏の沈殿を促進します。 イオンは、電位勾配 (電流) の下で Ca とは逆方向に移動します。
実験では、水で飽和した Na/Ca 混合モンモリロナイトを、0.5 M Na2 で飽和した Na-モンモリロナイトと接触させました。 SO4 解決。通電後、NaイオンとCaイオンは陰極(-)に移動し、逆にSO
石膏の沈殿物は、接触面から 0 ～ 1 mm 離れた場所で行われる電子プローブ微量分析 (EPMA) を使用して調べられました。サイズ約 300 μm の大きな凝集体がモンモリロナイト組織に浸透しています。反射電子 (BSE) 画像で観察された白い点は、元素マップの Ca および S とよく一致しており、石膏がその領域に沈殿したことを示唆しています。対照的に、モンモリロナイト構造に由来する Si、Al、および Mg はスポットに存在しませんでした。凝集体は、ランダムに移動する Ca と SO4 を追加することで、高度に分岐したフラクタル状の構造に成長しました これは、拡散限定凝集と呼ばれるプロセスである可能性があります。
陰イオン排除、陽イオン交換、およびイオン対形成を含むモデルに基づいて、石膏沈殿と間隙水化学が詳細に議論されました。低透磁率圧縮粘土中の石膏沈殿は動電学的方法を使用して首尾よく強化されたことが実証された。この新しい方法と石膏沈殿に関する議論が、圧縮された粘土やその他の多孔質媒体における間隙水化学を扱う将来の研究に役立つことが期待されます.
これらの調査結果は、Applied Clay Science 誌に最近掲載された、圧縮されたモンモリロナイトにおける動電学的方法および間隙水化学によって強化された石膏沈殿というタイトルの記事に記載されています。 この作業は、北海道大学の田中慎吾によって実施されました。
