Sulfur chemistry in a borosilicate melt Part 1. Redox equilibria and solubility

Abstract

The solubility and redox state of sulfur have been determined in an alkali borosilicate melt representative of those glass compositions under consideration for nuclear waste immobilization. The solubility of sulfur has been ascertained as a function of the melt temperature, imposed oxygen fugacity, and imposed sulfur fugacity. Sulfur dissolves predominantly as the sulfate (SO4^2-) ion under oxidizing conditions, and as the sulfide (S^2-) ion under reducing conditions. There is only a very narrow range of oxygen fugacities at which both sulfate and sulfide ions coexist in the melt. The presence of sulfide ions in the melt becomes significant at an oxygen fugacity of about 10^-9 bar at 1150 °C, thus establishing a lower limit in terms of redox state for melter operation in nuclear waste immobilization.

Es wurden die Löslichkeit und die Lage des Redoxgleichgewichts von Schwefel in einer Alkali-Borosilicatschmelze bestimmt, die den Glaszusammensetzungen entspricht, die für die Lagerung nuklearen Abfalls in Betracht kommen. Die Löslichkeit von Schwefel wurde in Abhängigkeit von der Schmelztemperatur unter vorgegebenen Sauerstoff- und Schwefelpartialdrücken ermittelt. Schwefel geht vorwiegend als Sulfation (SO4^2-) unter oxidierenden Bedingungen und als Sulfidion (S^2-) unter reduzierenden Bedingungen in Lösung. Es gibt nur einen sehr engen Bereich der Sauerstoffpartialdrücke, in dem Sulfat- und Sulfidionen gemeinsam in einer Schmelze enthalten sind. Die Anwesenheit von Sulfidionen in der Schmelze ist bei einem Sauerstoffpartialdruck von ungefähr 10^-9 bar bei 1150 °C signifikant, wodurch sich eine niedrigere Grenze für das Redoxgleichgewicht beim Einschmelzen von nuklearem Abfall ergibt.