APPENDICES OF

Solubility study of Ti,Zr-based ceramics designed to immobilise long-lived radionuclides

Gilles Leturcq, Thierry Advocat, Kaye Hart, Gilles Berger, Jacques Lacombe and Armand Bonnetier

Appendix 1: Thermodynamic data from literature ñ solid species
Chemical species Gf° (kJ/mol) Hf° (kJ/mol) Sf° (J/mol K) Cp (J/mol K) Reference
Al2O3

Al(OH)3

Al2TiO5

BaO

BaAl2O4

BaSiO3

Ba2SiO4

BaSi2O5

Ba2Si3O8

BaTiO3

Ba2TiO4

BaZrO3

CaO

CaAl2O4

Ca2Al2O5

Ca3Al2O6

CaSiO3 (wollastonite)

Ca2SiO4 (olivine)

Ca3SiO5

CaAl2SiO6 (pyroxene)

CaAl2Si2O8 (anorthite)

Ca2Al2SiO7

Ca3Al2Si3O12

CaTiO3 (perovskite)

Ca3Ti2O7

Ca4Ti3O10

CaTiSiO5 (titanite)

CaZrO3

CaZrTi2O7 (zirconolite)

SiO2

TiO2 (rutile)

TiO2 (anatase)

Zr(OH)4 (c)

ZrO2 (zirconia)

ZrSiO4 (zircon)

-1582.26

-1156.40

-2489.23

-525.35

-2212.37

-1540.31

-2175.14

-2410.97

-3963.07

-1572.44

-2132.90

-1694.68

-603.51

-2208.82

-2801.42

-3411.79

-1549.66

-2198.59

-2783.90

-3122.04

-4002.22

-3782.86

-6280.41

-1575.2

-3751.01

-5386.85

-2461.78

-1681.06

-3514.6

-856.44

-889.41

-883.00

-1547.97

-1039.72

-1909.33

-1675.70

-1294.63

-2635.5

-553.54

-2325.89

-1623.60

-2287.80

-2548.06

-4184.80

-1659.80

-2243.00

-1779.46

-635.09

-2326.30

-2958

-3587.80

-1634.94

-2315.22

-2929.20

-3298.20

-4227.90

-3981.50

-6646.16

-1660.6

-3950.50

-5671.66

-2603.30

-1766.90

-3713.8

-910.86

-944.75

-938.72

-1720.5

-1097.46

-2023.80

50.92

68.44

109.6

70.42

148.53

109.6

176.1

153.13

258.20

107.90

196.60

124.68

38.07

114.22

127.09

205.90

81.92

120.79

168.60

141.40

199.28

210.00

241.42

93.64

234.70

328.44

129.20

100.08

193.3

41.46

50.29

49.91

129.7

50.36

84.03

79.03

91.76

136.40

47.28

125.07

90.00

134.89

134.21

224.60

102.47

152.63

100.71

42.12

120.79

164.35

209.70

85.27

126.65

171.88

165.7

211.31

205.43

323.14

97.65

239.32

337.81

138.95

96.57

211.9

44.59

55.10

55.27

56.19

98.74

Cox et al. (1989)

Phillips et al. (1988)

Babushkin et al. (1985)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Wagman et al.(1982)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Barin (1989)

Putnam et al. (1999)

Barin (1989)

Barin (1989)

Phillips et al. (1988)

Babushkin et al. (1985)

Chase et al. (1985)

Barin (1989)

Appendix 2: Thermodynamic data - aqueous species
Chemical speciesGf° (kJ/mol) Hf° (kJ/mol) Reference
H2O

OH-

Al3+

Al(OH)2+

Al(OH)2+

Al(OH)3aq

Al(OH)4-

Ca2+

Ti4+

Ti(OH)22+

Ti(OH)3+

Ti(OH)4aq

Ti(OH)5-

ZrO2+

-237.14

-157.20

-488.7

-696.3

-903.7

-1109.2

-1305.6

-552.90

-391.60

-861.47

-1084.92

-1308.37

-1531.32

-840.62

-285.83

-230.03

-537.2

-769.0

-1014.2

-1251.8

-1495.8

-543.1

-449.80

-976.20

-1229.40

-1482.50

-1735.60

-933.50

Cox et al. (1989)

Phillips et al. (1988)

Castet et al. (1993)

Castet et al. (1993)

Castet et al. (1993)

Castet et al. (1993)

Castet et al. (1993)

Phillips et al. (1988)

Phillips et al. (1988)

Phillips et al. (1988)

Phillips et al. (1988)

Phillips et al. (1988)

Phillips et al. (1988)

Latimer (1952)

Reactionlog K 25fbC Reference
Zr4+ + H2O 5f Zr(OH)3+ + H+

Zr4+ + 2H2O 5f Zr(OH)22+ + 2H+

Zr4+ + 3H2O 5f Zr(OH)3+ + 3H+

Zr4+ + 4H2O 5f Zr(OH)4aq + 4H+

Zr4+ + 5H2O 5f Zr(OH)5- + 5H+

ZrO2 + 4H+ 5f Zr4+ + 2H2O

0.3

-1.7

-5.1

-9.7

-16.0

-1.9


Allard et al. (1980) ;

Baes and Mesmer (1986)

Chemical speciesGf° (kJ/mol) Hf° (kJ/mol) Reference
Zr4+

Zr(OH)3+

Zr(OH)22+

Zr(OH)3+

Zr(OH)4aq

Zr(OH)5-

-554.83

-793.64

-1019.34

-1237.04

-1447.89

-1649.05

-610.71

-880.45

-1135.36

-1381.24

-1619.40

-1846.59



this study

Appendix 3: Chemical reactions for the formation of perovskite from oxide reactants and associated free energy and enthalpy of formation.
Chemical reaction44Gf - 44Gr

kJ/mol

44Hf - 44Hr

kJ/mol

CaO + TiO2 5f CaTiO3

CaAl2O4 + TiO2 5f CaTiO3 + Al2O3

CaTiSiO5 5f CaTiO3 + SiO2

BaTiO3 + CaO 5f CaTiO3 + BaO

CaZrO3 + TiO2 5f CaTiO3 + ZrO2

CaTiSiO5 + ZrO2 5f CaTiO3 + ZrSiO4

CaSiO3 + CaZrO3 + TiO2 5f CaTiO3 + ZrSiO4 + CaO

CaSiO3 + TiO2 5f CaTiO3 + SiO2

CaSiO3 + BaZrO3 + TiO2 5f CaTiO3 + ZrSiO4 + BaO

CaZrTi2O7 5f CaTiO3 + ZrO2 + TiO2

2 CaTiSiO5 5f CaTiO3 + CaSiO3 + SiO2 + TiO2

BaTiO3 + CaSiO3 5f CaTiO3 + BaSiO3

BaTiO3 + CaZrO3 5f CaTiO3 + BaZrO3

CaSiO3 + CaZrTi2O7 5f 2 CaTiO3 + ZrSiO4

BaO + CaO + 2 TiO2 5f CaTiO3 + BaTiO3

CaO + CaZrTi2O7 5f CaTiO3 + CaZrO3 + TiO2

(1/3) Ca3Ti2O7 + (1/3) TiO2 5f CaTiO3

(1/2) Ca3Ti2O7 5f CaTiO3 + (1/2) CaO

(1/3) Ca4Ti3O10 5f CaTiO3 + (1/3) CaO

(1/4) Ca4Ti3O10 + (1/4) TiO2 5f CaTiO3

-1492.92

-1515.97

-1605.34

-1650.60

-1530.74

-1592.18

-1607.29

-1582.62

-1699.08

-1585.47

-1628.05

-1581.79

-1558.81

-1577.46

-1335.23

-1547.65

-1546.80

-1573.75

-1594.45

-1569.07

-1579.84

-1595.35

-1692.45

-1741.34

-1614.19

-1676.96

-1687.7

-1668.83

-1781.80

-1671.59

-1716.06

-1671.14

-1647.25

-1662.47

-1418.33

-1637.24

-1631.75

-1657.71

-1678.86

-1654.10

AVERAGE-1569 -1654
Appendix 3: Chemical reactions for the formation of zirconolite from oxide reactants and associated free energy and enthalpy of formation.
Chemical reaction44Gf - 44Gr

kJ/mol

44Hf - 44Hr

kJ/mol

CaTiO3 + ZrO2 + TiO2 5f CaZrTi2O7

2 TiO2 + CaO + ZrO2 5f CaZrTi2O7

TiO2 + CaTiSiO5 + ZrO2 5f CaZrTi2O7 + SiO2

TiO2 + CaTiO3 + ZrSiO4 5f CaZrTi2O7 + SiO2

TiO2 + CaTiSiO5 + ZrSiO4 5f CaZrTi2O7 + 2 SiO2

2 TiO2 + CaSiO3 + ZrO2 5f CaZrTi2O7 + SiO2

BaZrO3 + 2 TiO2 + CaO 5f CaZrTi2O7 + BaO

BaTiO3 + CaZrO3 + TiO2 5f CaZrTi2O7 + BaO

CaZrO3 + 2 TiO2 5f CaZrTi2O7

CaZrO3 + CaTiO3 + TiO2 5f CaZrTi2O7 + CaO

CaTiO3 + CaTiSiO5 + ZrO2 5f CaZrTi2O7 + CaSiO3

2 CaTiO3 + ZrSiO4 5f CaZrTi2O7 + CaSiO3

CaAl2O4 + 2 TiO2 + ZrO2 5f CaZrTi2O7 + Al2O3

BaTiO3 + TiO2 + ZrO2 + CaAl2O4 5f CaZrTi2O7 + BaAl2O4

BaTiO3 + BaZrO3 + CaTiSiO5 5f CaZrTi2O7 + Ba2SiO4

-3504.38

-3422.05

-3534.47

-3517.53

-3547.62

-3511.75

-3551.66

-3617.56

-3459.87

-3542.2

-3527.1

-3510.16

-3445.10

-3498.02

-3553.76

-3702.81

-3622.05

-3734.66

-3718.29

-3750.14

-3711.04

-3750.50

-3817.90

-3656.40

-3737.16

-3726.42

-3710.05

-3637.56

-3702.43

-3754.76

AVERAGE-3516 -3715
Appendix 4: Chemical reactions for the formation of titanite from oxide reactants and associated free energy and enthalpy of formation.
Chemical reaction44Gf - 44Gr

kJ/mol

44Hf - 44Hr

kJ/mol

CaSiO3 + TiO2 5f CaTiSiO5

CaTiO3 + SiO2 5f CaTiSiO5

Ca2SiO4 + TiO2 5f CaTiSiO5 + CaO

(1/3) Ca3Al2Si3O12 + TiO2 5f CaTiSiO5 + (1/3) Al2O3

Ca3SiO5 + TiO2 5f CaTiSiO5 + 2 CaO

Ca4Ti3O10 + SiO2 5f CaTiSiO5 + 2 CaTiO3 + CaO

(1/2) Ca3Ti2O7 + SiO2 5f CaTiSiO5 + (1/2) CaO

CaZrTi2O7 + CaSiO3 5f CaTiSiO5 + CaZrO3 + TiO2

CaAl2SiO6 + TiO2 5f CaTiSiO5 + Al2O3

(1/2) CaAl2Si2O8 + CaTiO3 5f CaTiSiO5 + (1/2) CaAl2O4

CaZrTi2O7 + Ca2SiO4 5f CaTiSiO5 + CaZrO3 + CaTiO3

(1/2) CaZrTi2O7 + CaSiO3 5f CaTiSiO5 + (1/2) CaZrO3

CaZrTi2O7 + SiO2 5f CaTiSiO5 + TiO2 + ZrO2

CaO + TiO2 + SiO2 5f CaTiSiO5

Ca2SiO4 + 2 TiO2 5f CaTiSiO5 + CaTiO3

(1/4) Ca4Ti3O10 + (1/4) TiO2 + SiO2 5f CaTiSiO5

(1/2) [ Ca4Ti3O10 + ZrO2 + TiO2 ] + SiO2 5f CaTiSiO5 + (1/2) [ CaO + CaZrTi2O7 ]

Ca4Ti3O10 + SiO2 + TiO2 5f CaTiSiO5 + 3 CaTiO3

(1/3) Ca4Ti3O10 + SiO2 5f CaTiSiO5 + (1/3) CaO

(1/3) Ca4Ti3O10 + (2/3) CaO + Ca2Al2SiO7 5f CaTiSiO5 + Ca3Al2O6

(1/3) [ Ca4Ti3O10 + Ca3Al2Si3O12 ] 5f CaTiSiO5 + (1/3) [ CaO + Ca3Al2O6 ]

(1/3) Ca3Al2Si3O12 + CaTiO3 5f CaTiSiO5 + (1/3) Ca3Al2O6

-2439.06

-2431.69

-2484.49

-2455.46

-2466.29

-2489.30

-2430.19

--2493.79

-2429.19

-2471.95

-2456.89

-2466.43

-2441.91

-2349.36

-2402.16

-2425.51

-2455.38

-2406.96

-2450.89

-2569.03

-2550.66

-2531.45

-2579.69

-2571.45

-2624.87

-3601.57

-2603.77

-2626.24

-2568.56

-2637.09

-2567.25

-2611.39

-2601.52

-2608.39

-2582.45

-2490.69

-2544.11

-2564.96

-2593.35

-2545.48

-2589.72

-2707.65

-2698.31

-2680.05

AVERAGE-2459 -2600
Appendix 5: Chemical reactions of formation of Ca2SiO4 from oxide reactants and associated free energy and enthalpy of formation.
Chemical reaction44Gf - 44Gr

kJ/mol

44Hf - 44Hr

kJ/mol

CaO + CaSiO3 5f Ca2SiO4

Ca3SiO5 5f Ca2SiO4 + CaO

2 CaSiO3 5f Ca2SiO4 + SiO2

CaAl2SiO6 + CaO 5f Ca2SiO4 + Al2O3

Ca3Al2Si3O12 5f Ca2SiO4 + CaAl2Si2O8

2 CaAl2Si2O8 5f Ca2SiO4 + 2 Al2SiO5 + SiO2

2 CaSiTiO5 5f Ca2SiO4 + SiO2 + 2 TiO2

2CaTiO3 + Ba2SiO4 5f Ca2SiO4 + 2 BaTiO3

2 CaZrO3 + Ba2SiO4 5f Ca2SiO4 +2 BaZrO3

2 CaAl2O4 + SiO2 5f Ca2SiO4 + 2 Al2O3

-2153.17

-2180.39

-2242.87

-2143.30

-2278.18

-2262.22

-2288.30

-2180.76

-2147.89

-2109.57

-2270.03

-2294.11

-2359.02

-2257.59

-2418.26

-2364.31

-2406.25

-2289.40

-2262.70

-2212.07

AVERAGE-2199 -2313
Appendix 6: Chemical reactions for the formation of pyroxene from oxide reactants and associated free energy and enthalpy of formation.
Chemical reaction44Gf - 44Gr

kJ/mol

44Hf - 44Hr

kJ/mol

CaO + Al2O3 + SiO2 5f CaAl2SiO6

CaSiO3 + Al2O3 5f CaAl2SiO6

CaAl2Si2O8 5f CaAl2SiO6 + SiO2

Ca2SiO4 + Al2O3 5f CaAl2SiO6 + CaO

CaAl2O4 + SiO2 5f CaAl2SiO6

CaO + Al2SiO5 5f CaAl2SiO6

Ca3Al2Si3O12 5f CaAl2SiO6 + 2 CaSiO3

Ca2Al2SiO7 5f CaAl2SiO6 + CaO

CaTiSiO5 + Al2O3 5f CaAl2SiO6 + TiO2

Ca3Al2O6 + SiO2 5f CaAl2SiO6 + 2 CaO

Ca3SiO5 + Al2O3 5f CaAl2SiO6 + 2 CaO

-3042.21

-3131.91

-3145.78

-3177.34

-3065.26

-3046.40

-3181.10

-3179.35

-3154.63

-3061.21

-3159.14

-3221.65

-3310.64

-3317.04

-3355.83

-3237.16

-3225.40

-3376.28

-3346.41

-3334.26

-3228.48

-3334.72

AVERAGE-3122 -3299
Appendix 8: Comparison between approximations and real values of 44Gf and 44Hf of perovskite, zirconolite, titanite, olivine and pyroxene, and relative errors. Ca2SiO4
44Gf est. 44Gf p.r. 44Gf est. - 44Gf p.r. % error
CaZrTi2O7-3516.21 -3514.60-1.610.046
CaTiO3-1575.24 -1575.20-0.040.003
Ca2SiO4-2198.66 -2198.800.14-0.006
CaAl2SiO6-3122.21 -3122.00-0.210.007
CaTiSiO5-2459.00 -2461.802.80-0.114
44Hf est. 44Hf p.r. 44Hf est. - 44Hf p.r. % error
CaZrTi2O7-3715.48 -3713.80-1.680.045
CaTiO3-1660.87 -1660.60-0.270.016
-2313.37-2315.201.83 -0.079CaAl2SiO6
-3298.90-3298.20 -0.70
44Gf est. and 44Hf est are the estimated values of 44Gf and 44Hf , 44Gf p.r. and 44Gf p.r. are the previous reported values in Appendices 3-7. Appendix 9: Chemical reactions for the formation of hollandite from oxide reactants and associated free energy and enthalpy of formation.
Chemical reaction44Gf - 44Gr

kJ/mol

44Hf - 44Hr

kJ/mol

BaO + Al2O3 + 6 TiO2 rut 5f BaAl2Ti6O16

BaAl2O4 + 6 TiO2 rut 5f BaAl2Ti6O16

Al2O3 + 5 TiO2 rut + BaTiO3 5f BaAl2Ti6O16

CaAl2O4 + 5 TiO2 rut + BaTiO3 5f BaAl2Ti6O16 + CaO

BaO + Al2O3 + 6 CaTiO3 5f BaAl2Ti6O16 + 6 CaO

BaAl2O4 + 6 CaTiO3 5f BaAl2Ti6O16 + 6 CaO

BaSiO3 + Al2O3 + 6 TiO2 rut 5f BaAl2Ti6O16 + SiO2

BaSiO3 + Al2O3 + 6 CaTiO3 5f BaAl2Ti6O16 + 5 CaO + CaSiO3

Al2O3 + 5 CaTiO3 + BaTiO3 5f BaAl2Ti6O16 + 5 CaO

BaO + Al2O3 + 6 CaTiSiO5 5f BaAl2Ti6O16 + 6 CaSiO3

BaAl2O4 + 6 CaTiSiO5 5f BaAl2Ti6O16 + 6 CaSiO3

Al2O3 + 5 CaTiSiO5 + BaTiO3 5f BaAl2Ti6O16 + 5 CaSiO3

BaZrO3 + + Al2O3 + 6 TiO2 rut 5f BaAl2Ti6O16 + ZrO2

BaO + Al2O3 + 3 CaZrTi2O7 5f BaAl2Ti6O16 + 3 CaZrO3

BaAl2O4 + 3 CaZrTi2O7 5f BaAl2Ti6O16 + 3 CaZrO3

CaAl2SiO6 + 5 TiO2 rut + BaTiO3 5f BaAl2Ti6O16 + CaSiO3

CaAl2SiO6 + 4 TiO2 rut + BaTiO3 + CaTiO3 5f BaAl2Ti6O16 + Ca2SiO4

Ca2Al2SiO7 + 5 TiO2 rut + BaTiO3 5f BaAl2Ti6O16 + Ca2SiO4

CaAl2Si2O8 + 5 TiO2 rut + BaTiO3 + CaTiO3 5f BaAl2Ti6O16 + CaSiO3 + CaTiSiO5

Ca3Al2O6 + 5 TiO2 rut + BaTiO3 5f BaAl2Ti6O16 + 3 CaO

Ca3Al2O6 + 5 TiO2 rut + BaTiO3 + 3 SiO2 5f BaAl2Ti6O16 + 3 CaSiO3

Ca3Al2O6 + 8 TiO2 rut + BaTiO3 5f BaAl2Ti6O16 + 3 CaTiO3

Ca3Al2O6 + 5 TiO2 rut + BaTiO3 + 2 SiO2 5f BaAl2Ti6O16 + CaSiO3 + Ca2SiO4

Ca3Al2Si3O12 + 5 TiO2 rut + BaTiO3 5f BaAl2Ti6O16 + 3 CaSiO3

Ca3Al2Si3O12 + 5 TiO2 rut + BaTiO3 5f BaAl2Ti6O16 + CaSiO3 + Ca2SiO4+ SiO2

3 Ca3Ti2O7 +Al2O3 + BaO 5f BaAl2Ti6O16 + 9 CaO

2Ca3Ti2O7 +BaTiO3 +TiO2 rut +CaAl2Si2O8 5f BaAl2Ti6O16 + CaO + 2 Ca3SiO5

2 Ca4Ti3O10 + BaSiO3 + CaAl2Si2O8 5f BaAl2Ti6O16 + 3 Ca3SiO5

Ca4Ti3O10 + Ca3Ti2O7 + BaTiO3 + CaAl2Si2O8 5f BaAl2Ti6O16 + 2 Ca3SiO5+ 2 CaO

2 Ca4Ti3O10 + BaAl2O4 + 4 SiO2 5f BaAl2Ti6O16 + 4 Ca2SiO4

2 Ca4Ti3O10 + BaAl2O4 + 8 TiO2 5f BaAl2Ti6O16 + 8 CaTiO3

BaO + CaAl2SiO6 + 6 TiO2 5f BaAl2Ti6O16 + CaSiO3

BaO + CaTiO3 + CaAl2SiO6 + 5 TiO2 5f BaAl2Ti6O16 + Ca2SiO4

BaO + Ca3Al2Si3O12 + 6 TiO2 5f BaAl2Ti6O16 + 3 CaSiO3

BaO + Ca3Al2Si3O12 + 6 TiO2 5f BaAl2Ti6O16 + CaSiO3+ Ca2SiO4 + SiO2

BaO + Ca3Al2O6 + 6 TiO2 + 2 SiO2 5f BaAl2Ti6O16 + CaSiO3+ Ca2SiO4

-7444.04

-7548.81

-7601.73

-7624.78

-7938.03

-8042.80

-7602.56

-8006.85

-8013.39

-7580.35

-7685.12

-7715.32

-7573.65

-7608.23

-7713.00

-7591.86

-7628.76

- 7603.74

- 7585.51

-7620.73

-7450.51

-7373.73

-7395.90

-7650.91

-7695.19

-7929.05

-7794.78

-7964.55

-7937.71

-7617.50

-7499.35

-7434.17

-7471.08

-7493.22

-7537.50

-7238.21

-7897.73

-7994.37

-8059.23

-8074.75

-8382.29

-8478.93

-8056.93

-8452.49

-8463.03

-8039.42

-8136.06

-8177.31

-8026.17

-8069.93

-8166.58

-8046.79

-8082.37

-8049.82

-8033.79

-8066.07

-7900.75

-7823.79

-7842.89

-8124.87

-8168.68

-8364.94

-8239.95

-8407.22

-8381.28

-8054.78

-7942.42

-7885.29

-7920.86

-7963.36

-8007.171

-7681.38

AVERAGE-7645 -8096

Appendix 7: Chemical reactions for the formation of Ti hydroxide from oxide reactants and associated free energy and enthalpy of formation.
Chemical reaction44Gf - 44Gr

kJ/mol

44Hf - 44Hr

kJ/mol

TiO2 (anat) + 2 H2O 5f Ti(OH)4

TiO2 (rut) + 2 H2O 5f Ti(OH)4

TiO2 (rut) + Zr(OH)4 5f Ti(OH)4 + ZrO2

Ti(OH)4 aq 5f Ti(OH)4

2 Ba(OH)2 + TiO2 (rut) 5f Ti(OH)4 + 2 BaO

2 Al(OH)3 + TiO2 (rut) 5f Ti(OH)4 + Al2O3 + H2O

-1357.63

-1363.77

-1397.65

-1308.37

-1557.71

-1382.77

-1510.38

-1516.41

-1567.78

-1482.50

-1730.26

-1572.48

AVERAGE-1395 -1563