Спектроскопия жидкостно-клеточного комбинационного рассеяния света для оперативного исследования реакций и явлений переноса при коррозии силикатного стекла

Общая цель состоит в том, чтобы улучшить наше понимание процессов реакции и переноса на границах раздела твердой воды при повышенной температуре и в микроскопическом масштабе. С помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света с жидкостными ячейками мы изучаем водную коррозию пористых силикатных стекол, поскольку они представляют собой излюбленный материал для иммобилизации высокоактивных ядерных отходов. В настоящее время существуют проблемы, связанные с потенциальным захватом воздушных карманов при закрытии ячейки и коррозией верхней стороны стекла из-за заполненного раствором зазора между сапфировым окном и самим образцом стекла.

Особенно в долгосрочных экспериментах эти продукты коррозии могут снижать отношение сигнал/шум спектров и пространственное разрешение. С помощью нового метода in situ мы, в частности, исследуем все еще обсуждаемые реакции, ограничивающие скорость, и процессы переноса, контролирующие коррозию стекла в водных средах в геологических масштабах времени. Существующие модели коррозии стекла являются весьма противоречивыми и поэтому требуют дополнительных пространственно разрешаемых данных в режиме реального времени для улучшения аналитических и численных моделей, прогнозирующих долгосрочное поведение стекол ядерных отходов, а также любой технологии стекол в водных растворах.

Последние результаты подняли еще один вопрос о том, как самооблученные стекла подвергаются коррозии при различных условиях pH и в течение более длительного периода времени в отношении обсуждаемых в настоящее время механизмов коррозии стекла. Для начала измельчите стеклянный купон с образцом с помощью бумаги из карбида кремния с зернистостью 600 с двух противоположных сторон, пока он не войдет в держатель образца из ПТФЭ. Установите держатель из ПТФЭ, содержащий образец стекла, в больший металлический держатель для образца, чтобы подготовиться к шлифовке верхней стороны стеклянного купона до уровня держателя из ПТФЭ.

Как только образец из ПТФЭ и металлический держатель образца окажутся почти в одной плоскости, отшлифуйте поверхность с помощью бумаги из карбида кремния с зернистостью 1 000. Отполируйте верхнюю сторону образца внутри держателя из ПТФЭ полировальной салфеткой размером три микрометра в течение не менее 20 минут. Чтобы измерить характеристики комбинационного излучения для образца и раствора, нажмите на кнопку «Захват».

Для образца боросиликатного стекла установите первый диапазон спектральных окон от 200 до 1,735 инверсных сантиметров. Чтобы измерить рамановские моды молекулярной воды, установите диапазон второго окна от 2800 до 4000 обратных сантиметров. Для получения достаточного интенсивного сигнала стекла и воды измерьте спектральные окна в течение семи и двух секунд соответственно.

Чтобы добиться наилучшего соотношения сигнал/шум, установите накопление на пять раундов. Отрегулируйте ширину входной щели спектрометра до 200 микрометров и конфокального отверстия до 600 микрометров для оптимизации разрешения по глубине. Поставьте неоновую лампу рядом с траекторией луча рассеянного света.

Для начала поместите силиконовую шайбу на крышку ячейки с перевернутой жидкостью. Затем расположите сапфировое окошко и держатель образца из ПТФЭ верхней стороной образца к сапфировому окошку. Зафиксируйте положение силиконовой шайбы, сапфирового окна и образца с помощью завинчивающейся крышки.

Вставьте уплотнительное кольцо в прилагаемую канавку. Впрыскивайте реактивный раствор с обеих сторон реактора до тех пор, пока выходное отверстие трубки внутри реактора не будет полностью закрыто, чтобы воздух не задерживался. Затем закройте клапаны перед извлечением шприца, чтобы предотвратить скопление воздуха в трубке или клапанах.

Добавляйте оставшийся раствор с верхней части корпуса реактора до тех пор, пока раствор не образует выпуклый мениск. Заполните свободные места на крышке для хранения образца, осторожно капнув раствор по правой и левой сторонам купона на образец. Проверьте заполненную крышку на наличие воздушных карманов.

Далее переверните крышку вверх дном, чтобы поместить ее на верхнюю часть корпуса реактора. Быстро закрепите ячейку с помощью шести винтов. Установите жидкостную ячейку на столик XYZ и подключите его к нагревательному столику.

Как только номинальная температура будет достигнута, отрегулируйте фокус лазера в верхней части сапфирового окна, центрируя его в направлениях X и Y над образцом. Установите положение Z равным нулю в качестве эталона. Теперь перемещайте фокус лазера в направлении Z до тех пор, пока не будут обнаружены первые сигналы комбинационного рассеяния света воды или раствора, таких как бикарбонат и карбонат.

Продолжайте перемещать фокус лазера дальше вниз до тех пор, пока чистый спектр образца стекла не будет идентифицирован с помощью функции отображения в реальном времени. Переместите фокус лазера дальше в направлении Z, проникая более чем на 30–50 микрометров в образец для наблюдения скорости коррозии стекла. Затем переместите столик в направлении X, чтобы определить интерфейс решения образца на основе уменьшения интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света образца и увеличения интенсивности решения.

Установите положение интерфейса образца решения X равным нулю. Установите линейное сканирование в диапазоне от минус 60 до 40, чтобы покрыть границу раздела стеклянного раствора примерно на ноль микрометров в направлении X. Выберите размер шага в два микрометра, в результате чего получится 51 шаг при линейном сканировании в 100 микрометров.

Граница раздела раствора стекла непрерывно отступала в течение первых четырех часов, что указывает на конгруэнтное растворение стекла. Первые амурные сигналы кремнезема появились через 8,3 часа, что указывает на выпадение поверхностного слоя изменения. Богатая водой межфазная зона начала формироваться примерно через 80 часов, постепенно развиваясь в отдельный межфазный слой воды шириной от шести до восьми микрометров.