Crystallization of borosilicate melts containing Na and Cs: results of Raman spectroscopy

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The structure of borosilicate glass and the glass-ceramic material obtained from it was studied using Raman spectroscopy for samples of two compositions with different Cs/Na ratios. The materials were synthesized in two different modes. The anionic environment of cesium in glass and the structural rearrangements of the network during the formation of crystalline phases have been studied. X-ray diffraction patterns of glass-ceramic samples made it possible to determine the only crystalline phase of CsBSi2O6, the structure of which was not unambiguously determined. Glass ceramics of the studied composition can be used to immobilize cesium by incorporating it into crystalline phases of the CsBSi2O6 composition, while sodium remains located in the glassy matrix. As a result of the research, it was shown that the composition of the crystalline phase does not depend on the initial ratio of alkali cations, while the ratio between the amounts of ordered and amorphous phases depends on the kinetics of the melt cooling process.

Full Text

Restricted Access

About the authors

O. N. Koroleva

South Urals Research Center of Mineralogy and Geoecology of the Urals Branch of the Russian Academy of Sciences; Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: olgankoroleva@gmail.com

Institute of Mineralogy

Russian Federation, Ilmen State Reserve, Miass, 456317; Kosygina st., 19, Moscow, 119991

L. A. Nevolina

South Urals Research Center of Mineralogy and Geoecology of the Urals Branch of the Russian Academy of Sciences; Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: olgankoroleva@gmail.com

Institute of Mineralogy

Russian Federation, Ilmen State Reserve, Miass, 456317; Kosygina st., 19, Moscow, 119991

A. P. Krivenko

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: olgankoroleva@gmail.com
Russian Federation, Kosygina st., 19, Moscow, 119991

References

  1. Быков В.Н., Королева О.Н., Осипов А.А. (2009) Структура силикатных расплавов по данным спектроскопии комбинационного рассеяния и термодинамического моделирования. Геохимия (11), 1138–1145.
  2. Bykov V.N., Koroleva O.N., Osipov A.A. (2009) Structure of silicate melts: Raman spectroscopic data and thermodynamic simulation results. Geochem. Int. 47 (11), 1067–1074.
  3. Деркачева Е.С. (2021) Фазообразование и характеризация борополлуцитов с примесями Ba. Физика и химия стекла 47, 714–720.
  4. Лаверов Н.П., Дмитриев С.А., Величкин В.И., Омельяненко Б.И. (2009) Условия безопасной изоляции жидких отходов низкого и среднего уровня активности. Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология (3), 195–213.
  5. Малинина Г.А. (2016) Строение и гидролитическая устойчивость самарий, гафний и урансодержащих стеклокерамических материалов для иммобилизации твердых радиоактивных отходов. дис. ... канд. хим. наук. Москва, 117 с.
  6. Bubnova R.S., Stepanov N.K., Levin A.A., Filatov S.K., Paufler P., Meyer D.C. (2004) Crystal structure and thermal behaviour of boropollucite CsBSi2O6. Solid State Sci. 6, 629–637.
  7. Donald I.W. (2010) Waste immobilization in glass and ceramic based hosts: Radioactive, toxic and hazardous wastes. Chichester: Wiley, 507 p.
  8. Furukawa T., White W.B. (1981) Raman spectroscopic investigation of sodium borosilicate glass structure. J. Mater. Sci. 16, 2689–2700.
  9. Jantzen C.M. (2011) Historical development of glass and ceramic waste forms for high level radioactive waste Handbook of advanced radioactive waste conditioning technologies. Eds. Cambridge: Woodhead, 159–172.
  10. Kaneko S., Tokuda Y., Takahashi Y., Masai H., Ueda Y. (2017) Structural analysis of mixed alkali borosilicate glasses containing Cs+ and Na+ using strong magnetic field magic angle spinning nuclear magnetic resonance. J. Asian Ceram. Soc. 5 (1), 7–12.
  11. Kim M., Heo J. (2015) Calcium-borosilicate glass-ceramics wasteforms to immobilize rare-earth oxide wastes from pyro-processing. J. Nucl. Mater. 467, 224–228.
  12. Koroleva O.N. (2017) The structure of lithium silicate melts revealed by high-temperature Raman spectroscopy. Spectrosc. Lett. 50 (5), 257–264.
  13. Koroleva O.N., Nevolina L.A., Korobatova N.M. (2023) Glass-Containing Matrices Based on Borosilicate Glasses for the Immobilization of Radioactive Wastes. J. Compos. Sci. 7 (12), 505.
  14. Koroleva O.N., Shabunina L.A. (2013) Effect of the ratio R = [Na2O]/[B2O3] on the structure of glass in the Na2O-B2O3-SiO2 system. Russ. J. Gen. Chem. 83 (2), 238–244.
  15. Koroleva O.N., Shabunina L.A., Bykov V.N. (2011) Structure of borosilicate glass according to raman spectroscopy data. Glass and Ceram. 67 (11), 340–342.
  16. Krzhizhanovskaya M.G., Bubnova R.S., Filatov S.K. (2018) Powder X-Ray Diffraction Data on Polymorphism of RbBSi2O6 and Crystal Structure of Its High-Temperature Modification. J. Struct. Chem. 59, 1995–2000.
  17. Manara D., Grandjean A., Neuville D. (2009) Advances in Understanding the Structure of Borosilicate Glasses: A Raman Spectroscopy Study. Amer. Miner. 94, 777–784.
  18. McCloy J.S., Goel A. (2017) Glass-ceramics for nuclear-waste immobilization. MRS Bull. 42 (3), 233–240.
  19. Mysen B., Richet P. (2019) Glass versus melt Silicate glasses and melts (second edition) (Eds. Mysen B., Richet P.). Elsevier, 39–75.
  20. Nevolina L.A., Koroleva O.N., Tyurnina N.G., Tyurnina Z.G. (2021) Study of Alkaline Earth Borosilicate Glass by Raman Spectroscopy. Glass Phys. Chem. 47 (1), 24–29.
  21. Nevolina L.A., Shtenberg M.V., Zherebtsov D.A., Koroleva O.N. (2023) Structure and crystallizability of K2O-B2O3-SiO2 and K2O-B2O3-GeO2 glasses: Effect of composition and heat treatment mode. Ceram. Int. 49, 37228–37237.
  22. Ojovan M.I., Petrov V.A., Yudintsev S.V. (2021) Glass Crystalline Materials as Advanced Nuclear Wasteforms. Sustain. 13 (8)
  23. Osipov A.A., Osipova L.M., Zainullina R.T. (2015) Structural units in alkali borate glasses and melts. Phys. Chem. Glasses: Eur. J. Glass Sci. Technol. B 56 (6), 255–262.
  24. Parkinson B.G., Holland D., Smith M.E., Howes A.P., Scales C.R. (2005) The effect of Cs2O additions on HLW wasteform glasses. J. Non-Cryst. Solids. 351, 2425–2432.
  25. Serbena F.C., Mathias I., Foerster C.E., Zanotto E.D. (2015) Crystallization toughening of a model glass-ceramic. Acta Mater. 86, 216–228.
  26. Zhu H., Wang F., Liao Q., Zhu Y. (2020) Synthesis and characterization of zirconolite-sodium borosilicate glass-ceramics for nuclear waste immobilization. J. Nucl. Mater. 532, 152026.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1.Schematic representation of modes #1 (in red) and #2 (in blue) for synthesis of glass-ceramic materials from melts.

Download (70KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Photo of samples of 1Na3Cs50 glass and glass-ceramic materials of compositions 1Na3Cs50 and 2Na2Cs50.

Download (76KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Raman spectra of the initial glasses of the system 30(Na2O+Cs2O)-20B2O3-50SiO2 containing sodium and cesium in different ratios (a).Decomposition of Raman spectra into superposition of lines (b).Q2 - SiO4 tetrahedra with two nonbridging oxygen atoms; Q3 - SiO4 tetrahedra with one nonbridging oxygen atom; [3]B - structural units containing three-coordinated boron atoms; [4]B - structural units containing boron atoms in quaternary coordination.

Download (243KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4.Comparison of integral intensities of characteristic bands of the spectra of 1Na3Cs50 and 2Na2Cs50 glasses.

Download (76KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5.Raman spectra of glass of 1Na3Cs50 composition and glass-ceramic material 1Na3Cs50-I obtained from the melt during thermal treatment according to regime No. 1 (a). Optical image of glass-ceramic 1Na3Cs50-I (b).

Download (158KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6.Raman spectra of glass of 2Na2Cs50 composition and glass-ceramic material 2Na2Cs50-I obtained from the melt according to the regime No. 1 (a).Optical image of glass-ceramic 2Na2Cs50-I (b).

Download (173KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7.CR spectra of the initial glass 1Na3Cs50 and different sections of glass-ceramics obtained by heat treatment according to the regime No. 2 (a). Optical image of 1Na3Cs50-II glass-ceramics (b).

Download (271KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8.CR spectra of the initial glass 2Na2Cs50, amorphous and crystalline parts of glass-ceramics obtained according to the regime No. 2 (a). Optical image of 2Na2Cs50-II glass-ceramics (b).

Download (244KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».