Fluid-cell Raman Spectroscopy for operando Studies of reaction and transport phenomena during Silicate Glass Corrosion(규산염 유리 부식 중 반응 및 수송 현상 연구)를 위한 Fluid-cell Raman Spectroscopy

유체 세포 라만 분광법(FCRS)을 사용하면 규산염 유리의 수성 부식 중 반응 및 수송 현상을 미세한 수준, 고온에서 실시간으로 실시간으로 관찰 할 수 있습니다. FCRS는 진행 중인 프로세스를 중단하지 않고 반응 메커니즘, 역학 및 수송 프로세스에 대한 정보를 제공합니다.

전반적인 목표는 고체수 계면, 고온, 미시적 규모에서 반응 및 수송 과정에 대한 이해를 향상시키는 것입니다. Fluid-Cell Raman Spectroscopy를 통해 다수성 규산염 유리가 고준위 핵 폐기물의 고정에 가장 적합한 물질이기 때문에 유리의 아쿠아 부식을 연구합니다. 현재 셀이 닫히는 동안 공기 주머니가 갇힐 가능성과 사파이어 창과 유리 샘플 자체 사이의 용액으로 채워진 틈으로 인한 유리의 상단 부식 문제가 있습니다.

특히 장기 실험의 경우 이러한 부식 생성물은 스펙트럼의 신호 대 잡음비와 공간 분해능을 줄일 수 있습니다. 새로운 현장 분석법(in situ method)을 통해, 우리는 특히 지질학적 시간 척도에 걸쳐 수성 환경에서 유리 부식을 제어하는 여전히 논쟁의 여지가 있는 속도 제한 반응 및 운송 공정을 조사하고 있습니다. 기존 유리 부식 모델은 논란의 여지가 많기 때문에 핵폐기물 유리의 장기적인 거동을 예측하는 분석 및 수치 모델과 수용액 내 유리 기술을 개선하기 위해 공간적으로 분해된 실시간 데이터가 추가로 필요합니다.

최신 결과는 현재 논의되고 있는 유리 부식 메커니즘과 관련하여 자체 방사선 조사 유리가 뚜렷한 pH 조건과 더 긴 시간 척도에서 어떻게 부식되는지에 대한 추가 질문을 제기했습니다. 시작하려면 PTFE 샘플 홀더에 맞을 때까지 반대쪽 두 면에 600그릿 실리콘 카바이드 종이를 사용하여 유리 샘플 쿠폰을 분쇄합니다. 유리 샘플이 들어 있는 PTFE 홀더를 더 큰 금속 샘플 홀더에 장착하여 PTFE 홀더와 수평이 될 때까지 유리 쿠폰의 윗면을 연삭할 준비를 합니다.

일단 표본 PTFE와 금속 표본 홀더가 1개의 비행기에 거의 있으면, 더 정밀한 1, 000의 모래 실리콘 탄화물 종이를 사용하여 표면을 갈기. PTFE 홀더 내에서 샘플의 윗면을 3마이크로미터 연마 천으로 최소 20분 동안 연마합니다. 샘플과 용액에 대한 Raman 모드의 특성을 측정하려면 acquisition을 클릭하십시오.

붕규산 유리 샘플의 경우 첫 번째 스펙트럼 창 범위를 200에서 1, 735 역 센티미터로 설정합니다. 분자수의 라만 모드를 측정하려면 두 번째 창 범위를 2, 800에서 4, 000 역 센티미터로 설정합니다. 유리잔과 물의 충분한 강도 신호를 얻으려면 스펙트럼 창을 각각 7초와 2초 동안 측정합니다.

최상의 신호 대 잡음 비율을 얻으려면 누적을 5라운드로 설정하십시오. 분광계 입구 슬릿 너비를 200마이크로미터로, 컨포칼 구멍을 600마이크로미터로 조정하여 깊이 분해능을 최적화합니다. 산란된 빛의 빔 경로 옆에 네온 램프를 놓습니다.

시작하려면 실리콘 와셔를 역유체 셀 뚜껑에 놓습니다. 그런 다음 사파이어 창과 PTFE 샘플 홀더를 샘플의 윗면이 사파이어 창을 향하도록 놓습니다. 실리콘 와셔, 사파이어 창 및 샘플의 위치를 나사 캡으로 고정합니다.

제공된 홈에 O-링을 삽입합니다. 반응기 내부의 튜브 배출구가 완전히 덮일 때까지 반응기 양쪽에서 반응성 용액을 주입하여 공기가 갇히지 않도록 합니다. 그런 다음 주사기를 제거하기 전에 밸브를 닫아 튜브나 밸브에 공기가 고이는 것을 방지하십시오.

용액이 볼록한 메니스커스를 형성할 때까지 반응기 용기 상단에서 남은 용액을 추가합니다. 샘플 홀딩 뚜껑의 빈 공간을 샘플 쿠폰의 오른쪽과 왼쪽을 따라 용액을 조심스럽게 떨어뜨려 채웁니다. 채워진 뚜껑에 공기 주머니가 있는지 확인하십시오.

그런 다음 뚜껑을 거꾸로 뒤집어 반응기 용기 위에 놓습니다. 6개의 나사를 사용하여 셀을 빠르게 고정합니다. XYZ 스테이지에 유체 셀을 장착하고 가열 스테이지에 연결합니다.

공칭 온도에 도달하면 사파이어 창 상단의 레이저 초점을 조정하여 샘플 위의 X 및 Y 방향 중앙에 놓습니다. Z 위치를 참조로 0으로 설정합니다. 이제 물 또는 중탄산염 및 탄산염과 같은 용액 종의 첫 번째 라만 신호가 감지될 때까지 레이저 초점을 Z 방향으로 이동합니다.

실시간 디스플레이 기능을 사용하여 유리 샘플의 순수한 스펙트럼이 식별될 때까지 레이저 초점을 더 아래쪽으로 계속 이동합니다. 레이저 초점을 Z 방향으로 더 이동하여 유리 부식 속도 관찰을 위해 샘플로 30-50마이크로미터 이상을 관통합니다. 다음으로, 스테이지를 X 방향으로 이동하여 샘플의 감소하는 라만 신호 강도와 용액의 증가하는 강도를 기반으로 샘플 용액 인터페이스를 결정합니다.

샘플 용액 인터페이스 X의 위치를 0으로 설정합니다. 라인 스캔을 영하 60에서 40으로 설정하여 X 방향으로 약 0마이크로미터에서 유리 용액 인터페이스를 커버합니다. 2마이크로미터의 스텝 크기를 선택하면 100마이크로미터의 라인 스캔으로 51개의 스텝이 생성됩니다.

유리 용액 계면은 처음 4시간 이내에 지속적으로 후퇴하여 유리의 합동 용해를 나타냅니다. 첫 번째 호색성 실리카 신호는 8.3시간 후에 나타났으며, 이는 표면 변경층의 침전을 나타냅니다. 물이 풍부한 계면 영역은 약 80시간 후에 형성되기 시작하여 점차 약 6-8마이크로미터 너비의 뚜렷한 계면 수층으로 발전했습니다.