Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Darmstadt.

Im Grundwasser des radioaktiven Endlagers Tomsk-7, Sibirien, Russland wurde die mikrobielle Diversität mittels der 16Sr DNA-Analyse untersucht. Die Ergebnisse zeigen die Dominanz von Betaproteobakterien, Bacteroidetes und einer neuen "Cyanobacteria-ähnlichen" Gruppe. Methanogene und verschiedene Cluster von Crenarcheota bestimmen die Archaeenpopulation. Autotrophe Bakterien wurden mit der RubisCO-Methode identifiziert und damit die Dominanz der Betaproteobakterien bestätigt. Aus den Gruppen der Alphaproteo- und Aktinobakterien wurden oligotrophe Bakterien isoliert. Diese tolerieren relativ hohe Konzentrationen unterschiedlicher Schwermetalle und wechselwirken effektiv mit Uran. EXAFS-Analysen haben gezeigt, dass bei pH 4,5 die Stämme U(VI) in Form von meta-Autunite immobilisieren. Bei pH 2 wurde das Uran an organische Phosphatreste gebunden. In der Umgebung des Endlagers Tomsk-7 wurden damit Mikroorganismen gefunden, die ein hohes Potential zur Bindung und zum Transport von Radionukliden haben.

Die sichere Endlagerung hochradioaktiver Stoffe ist weltweit eine der großen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Der abgebrannte Kernbrennstoff ist hoch-radiotoxisch und stellt somit eine Gefährdung für Mensch und Umwelt dar. Daher muss der radioaktive Abfall für bis zu einer Million Jahre von der Umwelt isoliert werden. International wird dafür die Endlagerung in tiefengeologischen Formationen favorisiert. Für ein solches Endlager für radioaktive Abfälle kommen in Deutschland Salz-, Ton- und Kristallinformationen in Frage, welche aufgrund der verschiedenen mineralogischen und geochemischen Bedingungen Radionuklide (RN) unterschiedlich stark immobilisieren. Wesentliche Prozesse sind dabei Ausfällung, Einbau in Festphasen und Sorption an Mineraloberflächen. Für eine belastbare Risikobewertung möglicher Endlagerstandorte sind geeignete Transportmodelle notwendig, welche auf umfangreiche thermodynamische Daten angewiesen sind. Hierfür sind insbesondere Studien zu Wechselwirkungen (WW) von RN mit Mineralphasen im Kristallingestein, d.h. Quarz, Feldspäten, Glimmern, nicht ausreichend verfügbar. Die minoren Actinide Am und Cm liegen in wässriger Lösung grundsätzlich im dreiwertigen Oxidationszustand vor. Außerdem werden unter den zu erwarteten reduzierenden Bedingungen in einem Endlager auch Np zu einem geringen und Pu zu einem nennenswerten Teil dreiwertig vorliegen. Daher beschäftigt sich der erste Teil der Arbeit mit den WW dreiwertiger Actiniden (An(III) = Am, Cm) mit Feldspäten. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von Elektrolyten auf die Rückhaltung von Actiniden an Mineraloberflächen. Dabei wurde zum einen der Einfluss des natürlich häufig auftretenden, anorganischen Liganden Sulfat auf die Sorption von An(III) an das Schichtsilikat (Glimmer) Muskovit untersucht, sowie in einem weiteren Beispiel der Einfluss der Elektrolytzusammensetzung auf die Sorption des Actinids Thorium an Muskovit untersucht. Th liegt in wässriger Lösung ausschließlich vierwertig vor und wird stark hydrolysiert, wodurch die Bildung polynuklearer Spezies begünstigt ist. Methodisch kommen in diesem Teil der Arbeit neben Oberflächenröntgenbeugung (SXRD) auch Alphaspektrometrie und Rasterkraftmikroskopie (AFM) zum Einsatz. Die Ergebnisse der Arbeit leisten einen signifikanten Beitrag zur realistischen Abschätzung der Mobilität drei- und vierwertiger Actiniden im Kristallingestein. Die Ergebnisse der Arbeit werden in Zukunft Simulationen des reaktiven Transports und somit die Auswahl eines geeigneten Standorts für ein Endlager für radioaktiven Abfall unterstützen.

Im Rahmen von Sicherheitsanalysen kommen Szenarien zur Anwendung, die eine Verletzung der geologischen Barriereintegrität in einem Endlager beschreiben. Während bei der normalen Entwicklung eines Endlagers im Steinsalz von dem langzeitig sicheren Einschluss der radioaktiven Abfälle ausgegangen wird, beschreiben die Szenarien die sogenannte "gestörte" Entwicklung. Das Anhydritszenario hebt auf den Lösungszufluss entlang der Anhydritklüfte und die sich ergebenden Konsequenzen für den Isolationsbereich ab. Obwohl untertägige Untersuchungen gezeigt haben, dass die meisten geologischen Klüfte geschlossen bzw. mit Mineralisationen gefüllt waren, muss in der Störfallanalyse das Anhydritszenario betrachtet werden. Es ist deshalb unverzichtbar, im Rahmen der Integritätsbewertung der geologischen Barriere das gebirgsmechanisch-hydraulische Verhalten des Hauptanhydrits zu bewerten. Die Bedingungen für das Eintreten des Anhydritszenarios müssen untersucht und dafür standortunabhängige Methoden und Kriterien entwickelt werden. In der Arbeit werden die lithologisch-tektonischen Bedingungen untertägiger Hauptanhydritaufschlüsse in unterschiedlichen Salzbergwerken in Thüringen und Sachsen-Anhalt beschrieben und untereinander verglichen. In zwei Gruben in unterschiedlicher Teufe wurden die Spannungsänderungen und Konvergenzen bei der Auffahrung von 2 Messkammern im Hauptanhydrit ermittelt. Vergleichbare Untersuchungen fanden am Grauen Salzton statt, der über Strecken aufgeschlossen war. Unter Verwendung von Bohrkernen fanden umfangreiche Laborversuche zur Festigkeit, Deformierbarkeit und hydraulischen Dichtheit des Anhydrits und Salztons statt. Nach einer umfassenden Analyse der historischen Ereignisse am Staßfurter Sattel vor etwa 100 Jahren wurden die Voraussetzungen für einen Lösungszufluss bewertet und das Szenario nachgerechnet. Es stellte sich heraus, dass die minimale Druckeinspannung eine fundamentale Bedeutung für die hydraulische Integrität besitzt. Für die In-situ-Spannungsmessungen im Anhydrit und benachbarten Steinsalz wurde eine neue Hydrofrac-Messsonde mit seismoakustischer Rissortung gebaut sowie für die Bohrlochschlitzmessungen im Steinsalz eine neuartige Auswertebeziehung unter Berücksichtigung der Tangentialspannungsrelaxation am Bohrlochrand entwickelt. Weiterhin wurde eine einfach anwendbare Methode zur Bestimmung der Permeabilität aus instationären Druckstoßtests eingeführt. In Labortests an Gesteinswürfeln unter drei unterschiedlichen Hauptnormalspannungen konnten Kenntnisse zur Rissbildung und den hydraulischen Eigenschaften gewonnen und Kriterien für die Bewertung der Barrierenintegrität abgeleitet werden. Im Bergwerk Bernburg erfolgten auf dieser Basis In-situ-Tests zur Ermittlung der Rissausbreitung und dem damit verbundenen Fluidfluss unter konstanten Gebirgsspannungen sowie in Abhängigkeit von der Entfernung des Messortes zu einer Abbaufront. Für die abschließenden Schlussfolgerungen und die Festlegung übertragbarer Kriterien wurden ausgewählte Untersuchungen im Labor und in situ unter Verwendung des Fließgesetzes nach Darcy sowie des kubischen Fließgesetzes hydraulisch-mechanisch gekoppelt modelliert.

Reactive transport modelling has wide applications in geosciences. In the field of hydrogeology, it has been utilised to simulate the biogeochemical processes that disperse and degrade contaminants in the aquifer. For geotechnical applications, such as geological CO2 sequestration, the reaction of CO2 with the ambient saline aquifer determines the final success of storage. In a radioactive waste repository, scientists rely on reactive transport models to predict the mobilisation of hazardous radionuclides within space and time. In this work, the multi-component mass transport code OpenGeoSys, was coupled with two geochemical solvers, the Gibbs Energy Minimization Selektor (GEM) and the Biogeochemical Reaction Network Simulator (BRNS). Both coupled codes were verified against analytical solutions and simulation results from other numerical models. Moreover, the coupling interface was developed for parallel simulation. Test runs showed that the speed-up of reaction part had a very good linearity with number of nodes in the mesh. However, for three dimensional problems with complex geochemical reactions, the model performance was dominated by solving transport equations of mobile chemical components. OpenGeoSys-BRNS was applied to a two dimensional groundwater remediation problem. Its calculated concentration profiles fitted very well with analytical solutions and numerical results from TBC. The model revealed that natural attenuation of groundwater contaminants is mainly controlled by the mixing of carbon source and electron donor. OpenGeoSys-GEM was employed to investigate the retardation mechanism of radionuclides in the near field of a nuclear waste repository. Radium profiles in an idealised bentonite column was modelled with varying clay/water ratios. When clay content is limited, Ba-Sr-Ra sulfate solid solutions have a very strong retardation effect on the aqueous radium. Nevertheless, when clay mineral is abundant, cation exchange sites also attract Sr and Ba, thus dominates the transport of Ra.

The migration behavior of actinides and other radioactive contaminants in the environment is controlled by prominent molecular phenomena such as hydrolysis and complexation reactions in aqueous solutions as well as the diffusion and sorption onto minerals present along groundwater flow paths. These reactions significantly influence the mobility and bioavailability of the metal ions in the environment, in particular at liquid-solid interfaces. Hence, for the assessment of migration processes the knowledge of the mechanisms occurring at interfaces is crucial. The required structural information can be obtained using various spectroscopic techniques. In the present study, the speciation of uranium(VI) and neptunium(V) at environmentally relevant mineral – water interfaces of oxides of titania, alumina, silica, zinc, and alumosilicates has been investigated by the application of attenuated total reflection Fourier-transform infrared (ATR FT-IR) spectroscopy. Moreover, the distribution of the hydrolysis products in micromolar aqueous solutions of U(VI) and Np(V/VI) at ambient atmosphere has been characterized for the first time, by a combination of ATR FT-IR spectroscopy, near infrared (NIR) absorption spectroscopy, and speciation modeling applying updated thermodynamic databases. From the infrared spectra, a significant change of the U(VI) speciation is derived upon lowering the U(VI) concentration from the milli- to the micromolar range, strongly suggesting the dominance of monomeric U(VI) hydrolysis products in the micromolar solutions. In contradiction to the predicted speciation, monomeric hydroxo species are already present at pH ≥ 2.5 and become dominant at pH 3. At higher pH levels (> 6), a complex speciation is evidenced including carbonate containing complexes. For the first time, spectroscopic results of Np(VI) hydrolysis reactions are provided in the submillimolar concentration range and at pH values up to 5.3, and they are comparatively discussed with U(VI). For both actinides, the formation of similar species is suggested at pH ≤ 4, whereas at higher pH, the infrared spectra evidence structurally different species. At pH 5, the formation of a carbonate-containing dimeric complex, that is (NpO2)2CO3(OH)3−, is strongly suggested, whereas carbonate complexation occurs only under more alkaline conditions in the U(VI) system. The results from the experiments of the sorption processes clearly demonstrate the formation of stable U(VI) surface complexes at all investigated mineral phases. This includes several metal oxides, namely TiO2, Al2O3, and SiO2, serving as model systems for the elucidation of more complex mineral systems, and several alumosilicates, such as kaolinite, muscovite and biotite. From a multiplicity of in situ experiments, the impact of sorbent characteristics and variations in the aqueous U(VI) system on the sorption processes was considered. A preferential formation of an inner-sphere complex is derived from the spectra of the TiO2 and SiO2 phases. In addition, since the in situ FT-IR experiments provide an online monitoring of the absorption changes of the sorption processes, the course of the formation of the U(VI) surface complexes can be observed spectroscopically. It is shown that after prolonged sorption time on TiO2, resulting in a highly covered surface, outer-sphere complexation predominates the sorption processes. The prevailing crystallographic modification, namely anatase and rutile, does not significantly contribute to the spectra, whereas surface specific parameters, e.g. surface area or porosity are important. A significant different surface complexation is observed for Al2O3. The formation of inner-spheric species is assumed at low U(VI) surface coverage which is fostered at low pH, high ionic strength and short contact times. At proceeded sorption the surface complexation changes. From the spectra, an outer-spheric coordination followed by surface precipitation or polymerization is deduced. Moreover, in contrast to TiO2, the appearance of ternary U(VI) carbonate complexes on the γ-Al2O3 surface is suggested. The first results of the surface reactions on more complex, naturally occurring minerals (kaolinite, muscovite and biotite) show the formation of U(VI) inner-sphere sorption complexes. These findings are supported by the spectral information of the metal oxide surfaces. In this work, first spectroscopic results from sorption of aqueous Np(V) on solid mineral phases are provided. It is shown that stable inner-sphere surface species of NpO2+ are formed on TiO2. Outer-sphere complexation is found to play a minor role due to the pH independence of the sorption species throughout the pH range 4 – 7.6. The comparative spectroscopic experiments of Np(V) sorption onto TiO2, SiO2, and ZnO indicate structurally similar bidentate surface complexes. The multiplicity of IR spectroscopic experiments carried out within this study yields a profound collection of spectroscopic data which will be used as references for future investigations of more complex sorption systems in aqueous solution. Furthermore, from a methodological point of view, this study comprehensively extends the application of ATR FT-IR spectroscopic experiments to a wide range in the field of radioecology. The results obtained in this work contribute to a better understanding of the geochemical interactions of actinides, in particular U(VI) and Np(V/VI), in the environment. Consequently, more reliable predictions of actinides migration which are essential for the safety assessment of nuclear waste repositories can be performed. / Das Migrationsverhalten von Aktiniden und anderen radioaktiven Schadstoffen in der Umwelt wird von wichtigen molekularen Prozessen entlang der Grundwasserfließwege reguliert. Dazu gehören sowohl die Hydrolyse und Komplexierung in wässrigen Lösungen als auch Diffusion und Sorption der Schwermetalle an Mineralen. Diese Reaktionen beeinflussen entscheidend die Mobilität und Bioverfügbarkeit der Metallionen in der Umwelt, insbesondere an den fest-flüssig Grenzflächen. Genaue Kenntnisse über die an diesen Grenzflächen stattfindenden Mechanismen sind somit entscheidend, um Migrationsprozesse verlässlich abschätzen zu können. Die benötigten strukturellen Informationen können mit verschiedenen spektroskopischen Techniken ermittelt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Speziation von Uran(VI) und Neptunium(V) an umweltrelevanten Grenzflächen von Oxiden des Titans, Aluminiums, Siliziums und Zinks und von Alumosilikaten mittels ATR FT-IR Spektroskopie. Des Weiteren wurde die Verteilung aquatischer Spezies in mikromolaren Lösungen des U(VI) und Np(V/VI) unter Normalbedingungen charakterisiert. Diese erstmalige Untersuchung wurde mit einer Kombination aus Speziationsmodellierung unter Anwendung aktueller thermodynamischer Daten und ATR FT-IR und NIR Absorptionsspektroskopie realisiert. Die Infrarotspektren zeigen eine deutliche Änderung der Speziesverteilung im Konzentrationsverlauf vom millimolaren zum mikromolaren Bereich. Dies verweist auf die Bildung monomerer U(VI) Hydrolyseprodukte. Im Gegensatz zu berechneten Speziationen werden diese monomeren Komplexe schon bei pH ≥ 2,5 gebildet und dominieren die Speziation bei pH 3. Bei höheren pH-Werten (> 6) konnte eine komplexe Speziesverteilung mit Anteilen von Karbonatkomplexen nachgewiesen werden. Erstmals konnten im Rahmen dieser Arbeit spektroskopische Befunde der Hydrolysereaktionen des Np(VI) im submillimolaren Konzentrationsbereich bis pH 5,3 erhalten werden. Diese wurden im Vergleich mit der U(VI) Speziation diskutiert. Obwohl im sauren Bereich (pH ≤ 4) die Bildung ähnlicher Komplexe nachgewiesen wurde, zeigen die bei höheren pH-Werten erhaltenen Spektren eine unterschiedliche Speziesverteilung. Im Gegensatz zum U(VI) bildet das Np(VI) schon bei pH 5 karbonathaltige aquatische Spezies wie (NpO2)2CO3(OH)3−. Die Ergebnisse der Sorptionsexperimente von U(VI) zeigen die Bildung stabiler Oberflächenkomplexe an allen untersuchten Mineralphasen. Dies umfasst mehrere als Modellsystem dienende Metalloxide wie TiO2, Al2O3 und SiO2, als auch komplexere Alumosilikate wie Kaolinit, Muskovit und Biotit. Für eine detaillierte Charakterisierung der Oberflächenkomplexe wurde eine Vielzahl von in situ Sorptionsexperimenten durchgeführt, die den Einfluss unterschiedlicher Parameter der mineralischen Phase als auch des wässrigen U(VI) Systems berücksichtigen. Die bevorzugte Bildung von innersphärischen Komplexen an TiO2 und SiO2 wird aus den spektroskopischen Daten abgeleitet. Da die in situ FT-IR Spektroskopie eine kontinuierliche Registrierung der Absorptionsänderungen während der ablaufenden Sorptionsprozesse erlaubt, kann somit der Verlauf dieser Prozesse quasi in Echtzeit spektroskopisch verfolgt werden. Es konnte gezeigt werden, dass mit fortschreitender Sorptionsdauer, d.h. bei hohen Beladungsdichten, die Bildung einer weiteren außersphärischen Spezies die Sorption dominert. Die vorliegende kristallographische Modifikation, Anatas und Rutil, ist nicht maßgeblich für das Auftreten unterschiedlicher Sorptionsprozesse verantwortlich, obwohl Parameter wie die spezifische Oberfläche und die Porosität für den Sorptionsprozess von Bedeutung sind. Deutlich verschiedene Oberflächenreaktionen werden für Al2O3 beobachtet. Aus den Spektren kann die Ausbildung einer innersphärischen Spezies bei sehr niedrigen U(VI) Beladungen, niedrigen pH-Werten, hohen Ionenstärken und kurzen Kontaktzeiten abgeleitet werden. Bei fortschreitender Sorption ändert sich die Art der Oberflächenkomplexe. Zunächst bilden sich außersphärische Spezies, während im weiteren Verlauf die Spektren auf eine beginnende Oberflächenausfällung bzw. Polymerisation hinweisen. Weiterhin wird das Auftreten von ternären U(VI) Karbonatkomplexen an γ-Al2O3 aus den spektroskopischen Daten abgeleitet. Die ersten Ergebnisse der Sorptionsexperimente an komplexeren, natürlich auftretenden Mineralphasen (Kaolinit, Muskovit und Biotit) zeigen eine bevorzugte Ausbildung von innersphärischen U(VI) Komplexen. Diese Resultate werden durch die spektralen Befunde der Experimente der Metalloxide gestützt. Erstmalig werden in dieser Arbeit spektroskopische Ergebnisse der Sorptionsprozesse von wässrigen Np(V) an verschiedenen Mineralphasen präsentiert. Wie U(VI) bildet Np(V) stabile innersphärische Oberflächenkomplexe an TiO2. Die Speziesverteilung an der TiO2 Oberfläche ist im pH Bereich 4 – 7,6 konstant. Daher ist zu erwarten, dass eine außersphärische Komplexierung hier nur eine untergeordnete Rolle spielt. Der Vergleich von Spektren der Np(V) Sorptionskomplexe an TiO2, SiO2 und ZnO weist auf die Bildung strukturell ähnlicher bidentater Komplexe hin. Die Vielzahl der hier vorgestellten infrarotspektroskopischen Experimente bietet eine fundierte Sammlung spektroskopischer Daten, die für zukünftige Untersuchungen komplexer aquatischer und mineralischer Systeme unerlässlich ist. Gleichzeitig wurde der Anwendungsbereich der ATR FT-IR Technik auf dem Gebiet der Radioökologie umfassend erweitert. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der geochemischen Wechselwirkungen von Aktiniden, im Speziellen von U(VI) und Np(V) in der Umwelt bei. Damit unterstützen sie den Aufklärungsprozess der Migration von radioaktiven Kontaminationen und dienen als Grundlage für zuverlässige Prognosen für die Sicherheitsbewertung von Endlagern für nukleare Abfälle.

Reactive transport modelling has wide applications in geosciences. In the field of hydrogeology, it has been utilised to simulate the biogeochemical processes that disperse and degrade contaminants in the aquifer. For geotechnical applications, such as geological CO2 sequestration, the reaction of CO2 with the ambient saline aquifer determines the final success of storage. In a radioactive waste repository, scientists rely on reactive transport models to predict the mobilisation of hazardous radionuclides within space and time. In this work, the multi-component mass transport code OpenGeoSys, was coupled with two geochemical solvers, the Gibbs Energy Minimization Selektor (GEM) and the Biogeochemical Reaction Network Simulator (BRNS). Both coupled codes were verified against analytical solutions and simulation results from other numerical models. Moreover, the coupling interface was developed for parallel simulation. Test runs showed that the speed-up of reaction part had a very good linearity with number of nodes in the mesh. However, for three dimensional problems with complex geochemical reactions, the model performance was dominated by solving transport equations of mobile chemical components. OpenGeoSys-BRNS was applied to a two dimensional groundwater remediation problem. Its calculated concentration profiles fitted very well with analytical solutions and numerical results from TBC. The model revealed that natural attenuation of groundwater contaminants is mainly controlled by the mixing of carbon source and electron donor. OpenGeoSys-GEM was employed to investigate the retardation mechanism of radionuclides in the near field of a nuclear waste repository. Radium profiles in an idealised bentonite column was modelled with varying clay/water ratios. When clay content is limited, Ba-Sr-Ra sulfate solid solutions have a very strong retardation effect on the aqueous radium. Nevertheless, when clay mineral is abundant, cation exchange sites also attract Sr and Ba, thus dominates the transport of Ra.

The ultimate goal of this work is providing insights into fundamental (physico-) chemical (redox) behavior of hexavalent uranium (U(VI)), trivalent europium (Eu(III)) and selenium (Se), and upon their interaction with ubiquitous small biomolecules (in case of U(VI) and Eu(III)) or alkaline earth metal ions (in case of Se(IV) and Se(VI)) by application of Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy. NMR spectroscopy is a powerful method proving its usefulness also to environmental and nuclear waste related studies in aqueous solutions by determination of (potential) binding sites, molecular structures (even conformation and configuration) as well as intra- and intermolecular dynamics, (redox) reaction pathways and mechanisms. The present work comprises extensive NMR spectroscopic investigations in aqueous (D2O) solutions on (i) glutathione (GSH) and glutathione disulfide (GSSG) interactions with trivalent lanthanides (Ln(III), particularly Eu(III)) and U(VI), (ii) molecular structures of citrate (Cit) complexes of U(VI), and their reactions upon light-irradiation, as well as (iii) pH- and temperature-dependent speciation of selenium oxyanions, i.e., Se(VI) (selenate) and Se(IV) (selenite and, notably, hydrogen selenite) as well as Se(VI) and Se(IV) interaction with alkaline earth metal ions. These investigations are supported by time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy (TRLFS), ultraviolet-visible-near infrared (UV-Vis-NIR), IR/Raman, and extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM), as well as quantum chemical calculations on density functional theory (DFT) level. For NMR spectroscopic data on GSH/GSSG complexation towards both Eu(III) and U(VI) are lacking, the herein presented results are new, and nicely complement other spectroscopic studies. Ln(III) complexes of GSH are characterized by their high solubility at least up to 300 mM and pD 5. However, the formation constant of the Eu(III)–GSH 1:1 complex is quite low with log K = 1.71 ± 0.01 as determined by Eu(III)-TRLFS. The diamagnetic La(III) and Lu(III) showed only little effect on the NMR spectra (< 2 ppm) while analogous Eu(III) solutions revealed hyperfine shifts up to 40 ppm. Eu(III)-induced 1H chemical shift changes are solely upfield and attributed to be predominantly due to pseudocontact contribution caused by dipolar interaction. In contrast, Eu(III)-induced 13C chemical shift changes of adjacent atoms – at least for the carboxyl and α-carbons – show alternating signs, indicating spin polarization effects owing to contact contribution. As expected for hard LEWIS acids and shown by other spectroscopies, complexation facilitates by the carboxyl groups. Qualitative differences between the glutamyl and glycyl carboxylate in metal ion complexation are ascribed to COULOMB repulsion due to the positively charged NH3+ in direct vicinity. Investigations of the U(VI)–GSH system covered experiments under both oxidizing and reducing conditions, performed with GSH’s oxidized form, GSSG, at ambient conditions, while samples with reduced GSH were handled under N2 atmosphere. For either condition, U(VI) showed interaction in aqueous (D2O) solution with both GSH and GSSG as determined by U(VI)-induced 1H and 13C chemical shift changes and U(VI) TRLFS, the latter comprising measurements at 25 °C and –120 °C. In principle, the interactions are stronger as compared to the Ln(III) system, and the speciation in both solution and solid is more complex owing to the aqueous chemistry of uranium. Observed binary GSH complexes are [UO2(H2GSH)]2+ for pD values up to ≈ 2.3, and [UO2(HGSH)]+ predominating for pD > 2.3. Complementary to the Eu(III) results, whenever net neutral binary GSH/GSSG or ternary hydroxo GSH/GSSG U(VI) complexes form in solution, both these U(VI) systems revealed extensive precipitation because of the low solubility of these complexes. Binary U(VI) GSSG and ternary U(VI) hydroxo GSSG complexes yield solid phases from pD 2 through 8, even in carbonatic media. The largest quantities of aqueous GSSG–U(VI) complexes are observed for pD ≈ 3.5, with the association constant for pH 3 determined by TRLFS as log K = 4.81 ± 0.08 for a 1:1 complex. GSH cannot compete with hydroxo ligands for complexation as of pD 6, whereas GSSG can at least partially compete with hydroxo and carbonate ligands upon formation of both quaternary U(VI) hydroxo carbonate GSSG, and ternary U(VI) carbonate GSSG (poly-)anionic species of high solubility. Under reducing and near-neutral conditions (pD 6 – 9) GSH immediately reduced U(VI) with subsequent formation of nanocrystalline UO2+x. After centrifugation of the starting material and allowing the decanted supernatant to age, the dissolved nanocrystals assemble network-like as disclosed by TEM, and further analysed by selected-area electron diffraction (SAED), energy-dispersive X-ray (EDX) and UV-Vis spectroscopy, revealing hyper-stoichiometric UO2+x phases. Such network-like assembled actinide containing nanocrystals, with the arrangement most likely provoked by the presence of GSSG, have never been shown before. Complementary, the precipitate that has also been allowed to age as a wet paste, showed color changes from yellow via olive to black, indicating a reaction to proceed. The repeatedly probed and dissolved material exhibited GSSG in NMR spectra, and UV-Vis-NIR absorption bands attributed to U(IV) and, notably, U(V), the latter implying a one-electron transfer with subsequent disproportionation of U(V) to U(IV) and U(VI). Therefore, obtained results advance the understanding of both fundamental redox behavior of uranium and the role of GSH (and related molecules) in U(VI) detoxification processes in vivo. Although investigated for over 70 years, there are still controversial discussions on both speciation and structures of U(VI)–Cit complexes. By means of NMR’s strength in both structure determination and sensitivity to dynamic processes, studies regarding the U(VI)–Cit system allowed further fundamental insights into the structures of the formed complexes on a molecular level. Upon complexation a chiral center is induced in Cit’s central carbon, resulting in the formation of two diastereomeric pairs of enantiomers, whereupon the dimeric complexes exhibit syn and anti configured isomers. In fact, the combination of 17O NMR (note: at natural abundance) and quantum chemical calculations allowed an unambiguous decision on complex geometry and overall configurations. It is evidenced for the first time that the syn isomer is favored in aqueous solution in contrast to the preferably crystallizing anti isomer. Both isomers coexist and interconvert among one another, with a rate estimated to be in the order of 102 s–1 at 25 °C in acidic media, and a corresponding activation energy of approximately 60 kJ mol–1. Moreover, clear indications for uranium chirality is observed for U4+, with the 1:1 U(IV)–Cit complexes also forming two diastereomeric pairs of enantiomers. Comprehensive spectroscopic experiments combined with quantum chemical calculations improved basic understanding of the photo-reaction mechanism in the U(VI)–Cit system. Regardless of sample conditions, Cit is degraded to β-ketoglutarate, acetoacetate, and acetone, while U(VI) was reduced to U(IV) at pD 2 and U(V) at pD 5, suggesting a two- and a one-electron transfer, respectively. NMR signals observed for pD 5 samples at remarkable 1H chemical shift values between 25 and 53 ppm, in combination with UV-Vis-NIR absorptions at about 750 and 930 nm, are assigned to U(V) complexes of citrate. With regard to reported pH dependence on reaction rate and yield in the literature combined with observations in this work, H+/D+ are considered mechanistically crucial constituents. Furthermore, the photoreaction proceeds intermolecularly, requiring for free Cit to be present in solution. In consideration of both the U(VI)–Cit photoreaction and the U(VI)–GSH chemical redox reaction, regardless of the particular mechanism, in both cases the process is intermolecular. This is not only a highly interesting, but the more a very important result, rendering the reductants not required to be bound to U(VI) in order to reduce it. Owing to the suitability of 77Se as NMR-active but non-radioactive Se isotope, this spectroscopy was also applied to study chemical behavior of the nuclear waste related long-lived 79Se. For the first time spectroscopic evidence is given for hydrogen selenite dimerization in aqueous solution upon formation of homo-dimers by hydrogen bonding that are stable up to 60 °C and so are other selenium oxyanionic species. Additionally, a remarkably higher 77Se chemical shift temperature coefficient of the dimer – as compared to corresponding selenite and selenous acid – was found. These findings are attributed to a significant deshielding upon heating due to remarkably different rovibrational modes upon stretching the dimer as a whole instead of its dissociation into monomers owing to the rather strong hydrogen bonds. Interaction of selenium oxyanions with ubiquitous alkaline earth metals, i.e., Ca2+ and Mg2+, showed formation of weak aqueous complexes of both selenite and hydrogen selenite dimer for excessive selenium, however, at high ionic strength (5.6 M) for equimolar Ca2+ and Se(IV) even at pHc 5 crystalline calcium selenite is formed.

Im Rahmen von Sicherheitsanalysen kommen Szenarien zur Anwendung, die eine Verletzung der geologischen Barriereintegrität in einem Endlager beschreiben. Während bei der normalen Entwicklung eines Endlagers im Steinsalz von dem langzeitig sicheren Einschluss der radioaktiven Abfälle ausgegangen wird, beschreiben die Szenarien die sogenannte &amp;quot;gestörte&amp;quot; Entwicklung. Das Anhydritszenario hebt auf den Lösungszufluss entlang der Anhydritklüfte und die sich ergebenden Konsequenzen für den Isolationsbereich ab. Obwohl untertägige Untersuchungen gezeigt haben, dass die meisten geologischen Klüfte geschlossen bzw. mit Mineralisationen gefüllt waren, muss in der Störfallanalyse das Anhydritszenario betrachtet werden. Es ist deshalb unverzichtbar, im Rahmen der Integritätsbewertung der geologischen Barriere das gebirgsmechanisch-hydraulische Verhalten des Hauptanhydrits zu bewerten. Die Bedingungen für das Eintreten des Anhydritszenarios müssen untersucht und dafür standortunabhängige Methoden und Kriterien entwickelt werden. In der Arbeit werden die lithologisch-tektonischen Bedingungen untertägiger Hauptanhydritaufschlüsse in unterschiedlichen Salzbergwerken in Thüringen und Sachsen-Anhalt beschrieben und untereinander verglichen. In zwei Gruben in unterschiedlicher Teufe wurden die Spannungsänderungen und Konvergenzen bei der Auffahrung von 2 Messkammern im Hauptanhydrit ermittelt. Vergleichbare Untersuchungen fanden am Grauen Salzton statt, der über Strecken aufgeschlossen war. Unter Verwendung von Bohrkernen fanden umfangreiche Laborversuche zur Festigkeit, Deformierbarkeit und hydraulischen Dichtheit des Anhydrits und Salztons statt. Nach einer umfassenden Analyse der historischen Ereignisse am Staßfurter Sattel vor etwa 100 Jahren wurden die Voraussetzungen für einen Lösungszufluss bewertet und das Szenario nachgerechnet. Es stellte sich heraus, dass die minimale Druckeinspannung eine fundamentale Bedeutung für die hydraulische Integrität besitzt. Für die In-situ-Spannungsmessungen im Anhydrit und benachbarten Steinsalz wurde eine neue Hydrofrac-Messsonde mit seismoakustischer Rissortung gebaut sowie für die Bohrlochschlitzmessungen im Steinsalz eine neuartige Auswertebeziehung unter Berücksichtigung der Tangentialspannungsrelaxation am Bohrlochrand entwickelt. Weiterhin wurde eine einfach anwendbare Methode zur Bestimmung der Permeabilität aus instationären Druckstoßtests eingeführt. In Labortests an Gesteinswürfeln unter drei unterschiedlichen Hauptnormalspannungen konnten Kenntnisse zur Rissbildung und den hydraulischen Eigenschaften gewonnen und Kriterien für die Bewertung der Barrierenintegrität abgeleitet werden. Im Bergwerk Bernburg erfolgten auf dieser Basis In-situ-Tests zur Ermittlung der Rissausbreitung und dem damit verbundenen Fluidfluss unter konstanten Gebirgsspannungen sowie in Abhängigkeit von der Entfernung des Messortes zu einer Abbaufront. Für die abschließenden Schlussfolgerungen und die Festlegung übertragbarer Kriterien wurden ausgewählte Untersuchungen im Labor und in situ unter Verwendung des Fließgesetzes nach Darcy sowie des kubischen Fließgesetzes hydraulisch-mechanisch gekoppelt modelliert.

The migration behavior of actinides and other radioactive contaminants in the environment is controlled by prominent molecular phenomena such as hydrolysis and complexation reactions in aqueous solutions as well as the diffusion and sorption onto minerals present along groundwater flow paths. These reactions significantly influence the mobility and bioavailability of the metal ions in the environment, in particular at liquid-solid interfaces. Hence, for the assessment of migration processes the knowledge of the mechanisms occurring at interfaces is crucial. The required structural information can be obtained using various spectroscopic techniques. In the present study, the speciation of uranium(VI) and neptunium(V) at environmentally relevant mineral – water interfaces of oxides of titania, alumina, silica, zinc, and alumosilicates has been investigated by the application of attenuated total reflection Fourier-transform infrared (ATR FT-IR) spectroscopy. Moreover, the distribution of the hydrolysis products in micromolar aqueous solutions of U(VI) and Np(V/VI) at ambient atmosphere has been characterized for the first time, by a combination of ATR FT-IR spectroscopy, near infrared (NIR) absorption spectroscopy, and speciation modeling applying updated thermodynamic databases. From the infrared spectra, a significant change of the U(VI) speciation is derived upon lowering the U(VI) concentration from the milli- to the micromolar range, strongly suggesting the dominance of monomeric U(VI) hydrolysis products in the micromolar solutions. In contradiction to the predicted speciation, monomeric hydroxo species are already present at pH ≥ 2.5 and become dominant at pH 3. At higher pH levels (> 6), a complex speciation is evidenced including carbonate containing complexes. For the first time, spectroscopic results of Np(VI) hydrolysis reactions are provided in the submillimolar concentration range and at pH values up to 5.3, and they are comparatively discussed with U(VI). For both actinides, the formation of similar species is suggested at pH ≤ 4, whereas at higher pH, the infrared spectra evidence structurally different species. At pH 5, the formation of a carbonate-containing dimeric complex, that is (NpO2)2CO3(OH)3−, is strongly suggested, whereas carbonate complexation occurs only under more alkaline conditions in the U(VI) system. The results from the experiments of the sorption processes clearly demonstrate the formation of stable U(VI) surface complexes at all investigated mineral phases. This includes several metal oxides, namely TiO2, Al2O3, and SiO2, serving as model systems for the elucidation of more complex mineral systems, and several alumosilicates, such as kaolinite, muscovite and biotite. From a multiplicity of in situ experiments, the impact of sorbent characteristics and variations in the aqueous U(VI) system on the sorption processes was considered. A preferential formation of an inner-sphere complex is derived from the spectra of the TiO2 and SiO2 phases. In addition, since the in situ FT-IR experiments provide an online monitoring of the absorption changes of the sorption processes, the course of the formation of the U(VI) surface complexes can be observed spectroscopically. It is shown that after prolonged sorption time on TiO2, resulting in a highly covered surface, outer-sphere complexation predominates the sorption processes. The prevailing crystallographic modification, namely anatase and rutile, does not significantly contribute to the spectra, whereas surface specific parameters, e.g. surface area or porosity are important. A significant different surface complexation is observed for Al2O3. The formation of inner-spheric species is assumed at low U(VI) surface coverage which is fostered at low pH, high ionic strength and short contact times. At proceeded sorption the surface complexation changes. From the spectra, an outer-spheric coordination followed by surface precipitation or polymerization is deduced. Moreover, in contrast to TiO2, the appearance of ternary U(VI) carbonate complexes on the γ-Al2O3 surface is suggested. The first results of the surface reactions on more complex, naturally occurring minerals (kaolinite, muscovite and biotite) show the formation of U(VI) inner-sphere sorption complexes. These findings are supported by the spectral information of the metal oxide surfaces. In this work, first spectroscopic results from sorption of aqueous Np(V) on solid mineral phases are provided. It is shown that stable inner-sphere surface species of NpO2+ are formed on TiO2. Outer-sphere complexation is found to play a minor role due to the pH independence of the sorption species throughout the pH range 4 – 7.6. The comparative spectroscopic experiments of Np(V) sorption onto TiO2, SiO2, and ZnO indicate structurally similar bidentate surface complexes. The multiplicity of IR spectroscopic experiments carried out within this study yields a profound collection of spectroscopic data which will be used as references for future investigations of more complex sorption systems in aqueous solution. Furthermore, from a methodological point of view, this study comprehensively extends the application of ATR FT-IR spectroscopic experiments to a wide range in the field of radioecology. The results obtained in this work contribute to a better understanding of the geochemical interactions of actinides, in particular U(VI) and Np(V/VI), in the environment. Consequently, more reliable predictions of actinides migration which are essential for the safety assessment of nuclear waste repositories can be performed. / Das Migrationsverhalten von Aktiniden und anderen radioaktiven Schadstoffen in der Umwelt wird von wichtigen molekularen Prozessen entlang der Grundwasserfließwege reguliert. Dazu gehören sowohl die Hydrolyse und Komplexierung in wässrigen Lösungen als auch Diffusion und Sorption der Schwermetalle an Mineralen. Diese Reaktionen beeinflussen entscheidend die Mobilität und Bioverfügbarkeit der Metallionen in der Umwelt, insbesondere an den fest-flüssig Grenzflächen. Genaue Kenntnisse über die an diesen Grenzflächen stattfindenden Mechanismen sind somit entscheidend, um Migrationsprozesse verlässlich abschätzen zu können. Die benötigten strukturellen Informationen können mit verschiedenen spektroskopischen Techniken ermittelt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Speziation von Uran(VI) und Neptunium(V) an umweltrelevanten Grenzflächen von Oxiden des Titans, Aluminiums, Siliziums und Zinks und von Alumosilikaten mittels ATR FT-IR Spektroskopie. Des Weiteren wurde die Verteilung aquatischer Spezies in mikromolaren Lösungen des U(VI) und Np(V/VI) unter Normalbedingungen charakterisiert. Diese erstmalige Untersuchung wurde mit einer Kombination aus Speziationsmodellierung unter Anwendung aktueller thermodynamischer Daten und ATR FT-IR und NIR Absorptionsspektroskopie realisiert. Die Infrarotspektren zeigen eine deutliche Änderung der Speziesverteilung im Konzentrationsverlauf vom millimolaren zum mikromolaren Bereich. Dies verweist auf die Bildung monomerer U(VI) Hydrolyseprodukte. Im Gegensatz zu berechneten Speziationen werden diese monomeren Komplexe schon bei pH ≥ 2,5 gebildet und dominieren die Speziation bei pH 3. Bei höheren pH-Werten (> 6) konnte eine komplexe Speziesverteilung mit Anteilen von Karbonatkomplexen nachgewiesen werden. Erstmals konnten im Rahmen dieser Arbeit spektroskopische Befunde der Hydrolysereaktionen des Np(VI) im submillimolaren Konzentrationsbereich bis pH 5,3 erhalten werden. Diese wurden im Vergleich mit der U(VI) Speziation diskutiert. Obwohl im sauren Bereich (pH ≤ 4) die Bildung ähnlicher Komplexe nachgewiesen wurde, zeigen die bei höheren pH-Werten erhaltenen Spektren eine unterschiedliche Speziesverteilung. Im Gegensatz zum U(VI) bildet das Np(VI) schon bei pH 5 karbonathaltige aquatische Spezies wie (NpO2)2CO3(OH)3−. Die Ergebnisse der Sorptionsexperimente von U(VI) zeigen die Bildung stabiler Oberflächenkomplexe an allen untersuchten Mineralphasen. Dies umfasst mehrere als Modellsystem dienende Metalloxide wie TiO2, Al2O3 und SiO2, als auch komplexere Alumosilikate wie Kaolinit, Muskovit und Biotit. Für eine detaillierte Charakterisierung der Oberflächenkomplexe wurde eine Vielzahl von in situ Sorptionsexperimenten durchgeführt, die den Einfluss unterschiedlicher Parameter der mineralischen Phase als auch des wässrigen U(VI) Systems berücksichtigen. Die bevorzugte Bildung von innersphärischen Komplexen an TiO2 und SiO2 wird aus den spektroskopischen Daten abgeleitet. Da die in situ FT-IR Spektroskopie eine kontinuierliche Registrierung der Absorptionsänderungen während der ablaufenden Sorptionsprozesse erlaubt, kann somit der Verlauf dieser Prozesse quasi in Echtzeit spektroskopisch verfolgt werden. Es konnte gezeigt werden, dass mit fortschreitender Sorptionsdauer, d.h. bei hohen Beladungsdichten, die Bildung einer weiteren außersphärischen Spezies die Sorption dominert. Die vorliegende kristallographische Modifikation, Anatas und Rutil, ist nicht maßgeblich für das Auftreten unterschiedlicher Sorptionsprozesse verantwortlich, obwohl Parameter wie die spezifische Oberfläche und die Porosität für den Sorptionsprozess von Bedeutung sind. Deutlich verschiedene Oberflächenreaktionen werden für Al2O3 beobachtet. Aus den Spektren kann die Ausbildung einer innersphärischen Spezies bei sehr niedrigen U(VI) Beladungen, niedrigen pH-Werten, hohen Ionenstärken und kurzen Kontaktzeiten abgeleitet werden. Bei fortschreitender Sorption ändert sich die Art der Oberflächenkomplexe. Zunächst bilden sich außersphärische Spezies, während im weiteren Verlauf die Spektren auf eine beginnende Oberflächenausfällung bzw. Polymerisation hinweisen. Weiterhin wird das Auftreten von ternären U(VI) Karbonatkomplexen an γ-Al2O3 aus den spektroskopischen Daten abgeleitet. Die ersten Ergebnisse der Sorptionsexperimente an komplexeren, natürlich auftretenden Mineralphasen (Kaolinit, Muskovit und Biotit) zeigen eine bevorzugte Ausbildung von innersphärischen U(VI) Komplexen. Diese Resultate werden durch die spektralen Befunde der Experimente der Metalloxide gestützt. Erstmalig werden in dieser Arbeit spektroskopische Ergebnisse der Sorptionsprozesse von wässrigen Np(V) an verschiedenen Mineralphasen präsentiert. Wie U(VI) bildet Np(V) stabile innersphärische Oberflächenkomplexe an TiO2. Die Speziesverteilung an der TiO2 Oberfläche ist im pH Bereich 4 – 7,6 konstant. Daher ist zu erwarten, dass eine außersphärische Komplexierung hier nur eine untergeordnete Rolle spielt. Der Vergleich von Spektren der Np(V) Sorptionskomplexe an TiO2, SiO2 und ZnO weist auf die Bildung strukturell ähnlicher bidentater Komplexe hin. Die Vielzahl der hier vorgestellten infrarotspektroskopischen Experimente bietet eine fundierte Sammlung spektroskopischer Daten, die für zukünftige Untersuchungen komplexer aquatischer und mineralischer Systeme unerlässlich ist. Gleichzeitig wurde der Anwendungsbereich der ATR FT-IR Technik auf dem Gebiet der Radioökologie umfassend erweitert. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der geochemischen Wechselwirkungen von Aktiniden, im Speziellen von U(VI) und Np(V) in der Umwelt bei. Damit unterstützen sie den Aufklärungsprozess der Migration von radioaktiven Kontaminationen und dienen als Grundlage für zuverlässige Prognosen für die Sicherheitsbewertung von Endlagern für nukleare Abfälle.