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 species | Gf° (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) | |
Reaction | log 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 species | Gf° (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 reaction | 44Gf - 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 |
Chemical reaction | 44Gf - 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 |
Chemical reaction | 44Gf - 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 |
Chemical reaction | 44Gf - 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 |
Chemical reaction | 44Gf - 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 |
44Gf est. | 44Gf p.r. | 44Gf est. - 44Gf p.r. | % error | |
CaZrTi2O7 | -3516.21 | -3514.60 | -1.61 | 0.046 |
CaTiO3 | -1575.24 | -1575.20 | -0.04 | 0.003 |
Ca2SiO4 | -2198.66 | -2198.80 | 0.14 | -0.006 |
CaAl2SiO6 | -3122.21 | -3122.00 | -0.21 | 0.007 |
CaTiSiO5 | -2459.00 | -2461.80 | 2.80 | -0.114 |
44Hf est. | 44Hf p.r. | 44Hf est. - 44Hf p.r. | % error | |
CaZrTi2O7 | -3715.48 | -3713.80 | -1.68 | 0.045 |
CaTiO3 | -1660.87 | -1660.60 | -0.27 | 0.016 |
-2313.37 | -2315.20 | 1.83 | -0.079 | CaAl2SiO6 |
-3298.90 | -3298.20 | -0.70 |
Chemical reaction | 44Gf - 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 |
Chemical reaction | 44Gf - 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 |