Modelowanie radiolizy wody i solwatacji jonów w roztworach wodnych

Światła-Wójcik, D.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Modelowanie radiolizy wody i solwatacji jonów w roztworach wodnych

Autorzy

Światła-Wójcik D.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Modelling radiolysis of water and solvation of ions in aqueous solutions

Języki publikacji

Abstrakty

W pracy zastosowałam metody obliczeniowe do modelowania radio-lizy wody ciężkiej i lekkiej w temperaturach około 300 °C oraz solwata-cji jonów Na+ i Cl w rozpuszczalniku wodno-metanolowym. Rola prac obliczeniowych w badaniu tych zjawisk wynika z istotnych ograniczeń metod doświadczalnych, a znaczenie praktyczne związane jest zastosowaniem wody, w warunkach krytycznych i nadkrytycznych, w energetyce jądrowej oraz do neutralizacji i usuwania zanieczyszczeń szkodliwych dla środowiska naturalnego. Opracowanie deterministycznej metody modelowania radiolizy wody pozwoliło na określenie podstawowych wydajności produktów radiolizy zachodzącej pod wpływem strumienia 2 MeV neutronów i promieniowania gamma w D2O i H2O, które pełnią rolę moderatora i chłodziwa w wodno-ciśnieniowych reaktorach jądrowych. Wykonane obliczenia umożliwiły wyznaczenie efektu izotopowego w radiolizie wody w zależności od temperatury (20 - 300 °C) i gęstości jonizacji promieniowania (0,2 - 90 eVnm-1). Symulacja MD wodno-metanolowych roztworów NaCl rozstrzygnęła kontrowersje dotyczące solwatacji jonów, potwierdzając selektywną sol-watację Cl- metanolem i preferencyjną hydratację Na+ w roztworze z małą zawartością wody. Określenie wpływu obecności elektrolitu na właściwości strukturalne i dynamiczne rozpuszczalnika poza sferami solwatacyjnymi jonów wskazuje, że selektywność solwatacji jest wynikiem dążenia układu do zachowania struktury sieci wiązań wodorowych.

Modelling calculation is a valuable tool to understand phenomena, for which experiment is very limited or leads to inconsistent conclusions. As an example the radiolysis of water at 300 °C and solvation of ions in methanol-water mixtures have been investigated. These subjects have relevance to the practical application of supercritical fluids in water-cooled nuclear power reactors and in treatment of hazardous waste. The deterministic kinetic-diffusion method was adapted to calculate primary yields of radiolytic products in the radiolysis of D2O and H2O by 2 MeV neutrons and γ-rays. The isotopic effect in the radiolysis of water with ionising radiation of linear energy transfer characteristics (LET) from 0.2 to 60 eVnm-1 and at temperatures up to 300 °C was determined. MD simulation method was used to elucidate controversy concerning solvation of Na+ and Cl- in methanol-water mixtures. Selective solvation of Cl- by methanol and preferential hydration of Na+ in water-deficit mixtures have been found. The preferences have been observed despite the similar interactions of ions with solvent components. Inspection of an effect of the electrolyte on the structure and dynamics of solvent components showed that the selectivity arises from the tendency to preserve the H-bonded network in the binary solvent.

Słowa kluczowe

radioliza wody modelowanie radiolizy wody solwatacja jonów rozpuszczalnik wodno-metanolowy

radiolysis of water modelling radiolysis of water solvation of ions methanol-water solvent

Wydawca

Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej

Czasopismo

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

Rocznik

2002

Tom

Z. 301

Strony

3--67

Opis fizyczny

Bibliogr. 92 poz.

Twórcy

autor

Światła-Wójcik D.

Międzyresortowy Instytut Techniki Radiacyjnej, Wydział Chemiczny Politechnika Łódzka

Bibliografia

1. Supercritical Fluids: Fundamentals and Applications, NATO Sci. Ser., Ser. E, 2000, Kluwer: Dordrecht, Neth. 2000.
2. R.W. Shaw, T.B. Brill, A.A. Clifford, C.A. Eckert, E.U. Franck, Chem. Eng. News 69, 26 (1991).
3. J.W. Tester, H.R. Holgate, F.J. Armellini, P.A. Webley, W.R. Killilea, G.T. Hong, H.E. Bamer, Emerging Technologies in Hazardous Waste Management 111, D.W. Tedder, F.G. Pohland, (Eds.), American Chemical Society: Washington, DC, 1993, vol. 518, 569.
4. Yu.E. Gorbaty, A.G. Kalinichev, J. Phys. Chem. 99,5336 (1995).
5. J. Marti, J.A. Padro, E. Guardia, J. Chem. Phys. 105, 639 (1996).
6. T.I. Mizan, P.E. Savage, R.M. Ziff, J. Phys. Chem. 100, 406 (1996).
7. M.M. Hoffmann, M.S. Conradi, J. Phys. Chem. В 102, 263 (1998).
8. R. M. Lemert, K. P. Johnston, Fluid Phase Equilib. 59, 31 (1990).
9. A.K. Covington, J.M. Thain, J. Chem. Soc., Faraday Trans. I 71, 78 (1975).
10. M. Holtz, H. Weingartner, H.G. Hertz, J. Chem. Soc., Faraday Trans. I 73,71 (1977).
11. A.K. Covington, K.E. Newman, T.H. Lilley, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1 69, 937 (1973).
12. A.K. Covington, M. Dunn, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1 85, 2827 (1989).
13. E. Hawlicka, Z. Naturforsch. 41a, 939 (1986).
14. D. Feakins, K.H. Khoo, J.P. Lorimer, D.A. O’Shaughnessy, P.J. Voice, J. Chem. Soc., Faraday Trans. I 72, 2661 (1976).
15. E. de Valera, D. Feakins, W.E. Waghome, J. Chem. Soc., Faraday Trans. I 88, 3537 (1985).
16. D. Swiatla-Wojcik, G.V. Buxton, J. Phys. Chem. 99, 11464 (1995).
17. D. Swiatla-Wojcik, G.V. Buxton, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 94, 2135 (1998).
18. D. Swiatla-Wojcik, G.V. Buxton, Phys. Chem. Chem. Phys. 2, 5113 (2000).
19. D. Swiatla-Wojcik, G.V. Buxton, Res. Chem. Intermed. 27, 875 ( 2001) .
20. E. Hawlicka, D. Swiatla-Wojcik, Chem. Phys. 195, 221 (1995).
21. E. Hawlicka, D. Swiatla-Wojcik, Chem. Phys. 218, 49 (1997).
22. E. Hawlicka, D. Swiatla-Wojcik, Computers Chem. 22, 43 (1998).
23. E. Hawlicka, D. Swiatla-Wojcik, J. Mol. Liquids 78, 7 (1998).
24. E. Hawlicka, D. Swiatla-Wojcik, Chem. Phys. 232, 361 (1998).
25. E. Hawlicka, D. Swiatla-Wojcik, Phys. Chem. Chem. Phys. 2, 3175 (2000).
26. E. Hawlicka, D. Swiatla-Wojcik, J. Mol. Liquids, (w druku).
27. Farhataziz , M. A. J. Rodgers (Eds.), Radiation Chemistry: Principles and Applications, VCH Publishers, New York, 1987.
28. Wybrane zagadnienia chemii radiacyjnej pod red. J. Kroh, PWN - Warszawa, 1986.
29. J.A. La Verne, S.M. Pimblott, J. Phys. Chem. 95, 3196 (1991).
30. E.M. Fielden, EJ. Hart, Radiat. Res. 33, 426 (1968).
31. K.N. Iha, T.G. Ryan, G.R. Freeman, J. Phys. Chem. 79, 868 (1975).
32. AJ. Elliot, M.P. Chenier, D.C. Oullette, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 89, 1193 (1993).
33. K.H. Schmidt, P. Han, D.M. Bartels, J. Phys. Chem. 99, 10530 (1995).
34. G.V. Buxton, A.D. Lynch, R.C. Stuart, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 94, 2379 (1998).
35. H.A. Schwarz, J. Phys. Chem. 73, 1928 (1969).
36. T.G. Slanger, G. Black, J. Chem. Phys. 77, 2432 (1982).
37. LJ. Stief, J. Chem. Phys. 44, 277 (1966).
38.1.G. Kaplan, A.M. Miterev, V.Y. Sukhonosov, Radiat. Phys. Chem. 36, 493(1990).
39. S. M. Pimblott, J. A. LaVeme, J. Phys. Chem. A 101, 5828 (1997).
40. W. G. Burns, A. R.Curtis, J. Phys. Chem. 76, 3008 (1972).
41. FACSIMILE, Process & Chemical Reaction Modeller, Technical Reference, 1993 UKAEA Harwell, Didcot, Oxfordshire, UK.
42. A.J. Elliot, Rate Constants and G-values for the Simulation of the Radiolysis of Light Water over the Range 0-300 °C, AECL-11073, COG-94-167, AECL Research, Chalk River, 1994.
43. A.J. Elliot, D.C. Ouellette, C.R. Stuart, The Temperature Dependence of the Rate Constants and Yields for the Simulation of the Radiolysis of Heavy Water, AECL-11658, COG-96-390-1, 1996.
44. R.M. Noyes, Progress in Reaction Kinetics, G. Porter, (Ed.),. Pergamon Press, London, 1961.
45. H. Christensen, KJ. Sehested, J. Phys. Chem. 90, 186 (1986).
46. D.M. Bartels, A.R. Cook, M. Mudaliar, C. D. Jonah, J. Phys. Chem. A 104, 1686 (2000).
47. A.C. Chemovitz, C.D. Jonah, J. Phys. Chem. 92, 5946 (1988).
48. J.M. Heller, Jr., R.N. Hamm, R.D. Birkhoff, L.R. Painter, J. Phys. Chem. 67, 1858 (1977).
49. C.D. Jonah, A.C. Chernovitz, Can. J. Phys. 68, 935 (1990).
50. M.C. Kent, H.E. Sims, in 6th International Conference on Water Chemistry of Nuclear Reactor Systems, British Nuclear Energy Society, London, 1992, 2, 322.
51. G.V. Buxton, A.J. Elliot, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 89, 485 (1993).
52. W.G. Burns, W.R. Marsh, J. Chem. Soc., Farad. Trans. I 77, 197 (1981).
53. A.J. Elliot, M.P. Chenier, D.C. Ouellette, V.T. Koslovsky, J. Phys. Chem. 100, 9014 (1996).
54. G.R. Sunaryo, Y. Katsumura, D. Hiroishi, K. Ishigure, Radiat. Phys. Chem. 45, 131 (1995).
55. D. Swiatla-Wojcik, G.V. Buxton, Modelling Radiolysis of Reactor Coolant, 22nd Miller Conference 2001.
56. F.H. Long, H. Lu, K.B. Eisenthal, Chem. Phys. Lett. 185, 47 (1991).
57. H.A. Mahlman, J.W. Boyle, J. Am. Chem. Soc. 80, 773 (1958).
58. E. Hawlicka, Polish J. Chem. 70, 821 (1996).
59. A. Laaksonen, P.G. Kusalik, I.M. Svishchev, J. Phys. Chem. 101, 5910 (1997).
60. H. Ohtaki, T. Radnai, Chem. Rev. 93, 1157 (1993).
61. D. Marx, K. Heinzinger, G. Palinkas, I. Bako, Z. Naturforsch. 46a, 887 (1991).
62. G. Sese, E. Guardia, J.A. Padro, J. Chem. Phys. 105, 8826 (1996).
63. P. Bopp, G. Jansco, K. Heinzinger, Chem. Phys. Lett. 98, 129 (1983).
64. G. Palinkas, E. Hawlicka, K. Heinzinger, J. Phys. Chem. 91 4334, (1987).
65. D.M. Ferguson, J. Comput. Chem. 16, 501 (1995).
66. G. Palinkas, E. Hawlicka, K. Heinzinger, Chem. Phys. 158 (1991) 65.
67. W. Dietz, W.O. Riede, K. Heinzinger, Z. Naturforsch. 37a, 1038 (1982).
68. M.P. Allen, DJ. Tildesley, Computer Simulations of Liquids, Oxford University Press, Oxford, 1987.
69. S. Koneshan, J.C. Rasaiah, R.M. Lynden-Bell, S.H. Lee, J. Phys. Chem. B 102, 4193 (1998).
70. J. Chandrasekhar, D.C. Spellmeyer, W.L. Jorgensen, J. Am. Chem. Soc. 106, 903 (1984).
71. J. E. Enderby, Chem. Soc. Rev. 159 (1995).
72. M. Yamagani, H. Wahita, T. Yamaguchi, J. Chem. Phys. 103, 8174 (1995).
73. T. Radnai, E. Kalman, K. Polimer, Z. Naturforsch. 39a, 464 (1984).
74. T. Radnai, I. Bako, G. Palinkas, Models in Chemistry 132, 159 (1995).
75. N. Micali, S. Trusso, C. Vasi, D. Blaudez, F. Mallamace, Phys. Rev. E 54, 1720(1996).
76. A.K. Soper, J.L. Finney, Phys. Rev. Lett. 71,4346 (1993).
77. T. Sato, A. Chiba, J. Chem. Phys. 112, 2924 (2000).
78. E. Hawlicka, Ber. Bunsenges. Phys.Chem. 87, 425 (1983).
79. E. Hawlicka, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 88, 1002 (1984).
80. T.S. van Erp, EJ. Meijer, Chem. Phys. Lett. 333, 290 (2001).
81. M. Ferrario, M. Haughney, LR. McDonald, M.L. Klein, J .Chem. Phys. 93, 5156 (1990).
82. H. S. Frank, Wen, Disc. Faraday Soc. 24, 133 (1957).
83. A. Sacco, Chem. Soc. Rev. 129 (1994).
84. E. Hawlicka, Chem. Soc. Rev. 367 (1995).
85. W. Reimschussel, E. Hawlicka, Radiochim. Acta 31, 157 (1982).
86. E. Hawlicka, D. Światła-Wójcik, J. Phys. Chem. A 106(008) (2002) (w druku).
87. M. Haughney, M. Ferrario, I.R. McDonald, J. Phys. Chem. 91, 4934 (1987) .
88. H. Kleeberg, Interactions of Water in Ionic and Nonionic Hydrates, Springer, Berlin, 1987.
89. W.A.P. Luck, H. Borgholte, T. Hatermehl, J. Mol. Struct. III, 523 (1988) .
90. K. Mizuno, K. Mabuchi, T. Miyagawa, Y. Matsuda, S. Kita, M. Kaida, Y. Shindo, J. Phys. Chem. A 101, 1366 (1997).
91. R.M. Badger, S.H. Bauer, J. Chem. Phys. 5, 839 (1937).
92. H. R. Wyss, M. Falk, Can. J. Chem. 48, 608 (1970).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-LOD6-0020-0007