Study on the Removal of Cesium from Simulated Seawater using Ammonium Phosphomolybdate (AMP) and Natural Zeolite Alginate Microcapsules

Wenn eine Kernanlage in Betrieb ist oder wenn sie stillgelegt wird, produziert sie Wasser, das mit radioaktiven Elementen kontaminiert ist. Unter diesen ist Cäsium ein besonderes Problem. Es löst sich leicht in Wasser auf, bewegt sich schnell durch die Umwelt und bleibt über Jahrzehnte radioaktiv. Die Entfernung ist für die Sicherheit lebenswichtig, doch sie wird zu einem schwierigen Rätsel, wenn dieses Wasser Meerwasser ist. Meerwasser ist voll von gewöhnlichen Salzen wie Natrium, Kalium, Calcium und Magnesium. Diese harmlosen Ionen verdrängen das radioaktive Cäsium, was es schwierig macht, dass Standard-Reinigungsmaterialien das gefährliche Element erfassen können. Wissenschaftler wissen seit langem, dass bestimmte Mineralien wie Magnete für Cäsium wirken können, indem sie es aus dem Wasser ziehen, während sie das Salz ignorieren. Die Umwandlung dieser feinen Mineralpulver in etwas Praktisches für einen fließenden Fluss oder eine Kläranlage ist jedoch knifflig; das Pulver ist zu fein, um es leicht herauszufiltern, und das Salz im Wasser schwächt oft deren Griff.

Forscher in Taiwan gingen dieses spezifische Problem an, indem sie zwei verschiedene mineralbasierte Materialien testeten, die in einer Meerwasserumgebung funktionieren sollten. Sie nahmen ein hochselektives Mineral namens Ammoniumphosphomolybdat und ein natürlich vorkommendes Mineral, bekannt als Zeolith, und hüllten jedes davon in eine weiche, geleeartige Schale aus Algenextrakt ein. Diese Schale, eine sogenannte Alginat-Mikrokapsel, fungiert wie ein schützendes Netz. Sie hält das feine Mineralpulver an seinem Platz, sodass es in eine Säule gegossen und mit Wasser gespült werden kann, ohne weggespült zu werden, während sie gleichzeitig das Wasser durchfließen lässt, damit es das Mineral im Inneren berühren kann. Das Team wollte sehen, welches dieser eingehüllten Mineralien besser darin wäre, Cäsium aus simuliertem Meerwasser einzufangen, und ob sie dies schnell genug schaffen würden, um in einem realen Behandlungssystem nützlich zu sein.

Die Studie begann mit der Herstellung dieser winzigen Kapseln. Die Forscher mischten die Mineralpulver mit einer flüssigen Algenlösung und tropften die Mischung in ein Calcium-Bad. Das Calcium fungierte als Kleber und verwandelte die Tropfen sofort in feste, runde Perlen, die die Mineralien im Inneren einschlossen. Sie fertigten zwei Chargen an: eine, die mit Ammoniumphosphomolybdat gefüllt war, und eine andere, die mit natürlichem Zeolith gefüllt war. Um dies zu testen, gossen sie künstliches Meerwasser, das mit einer kleinen Menge Cäsium gemischt war, über die Perlen. Sie maßen, wie viel Cäsium die Perlen halten konnten und wie gut sie es aus dem Wasser fernhielten. Die Ergebnisse zeigten einen klaren Unterschied zwischen den beiden. Die Perlen, die Ammoniumphosphomolybdat enthielten, erwiesen sich als der überlegene Fänger. Sie hielten Cäsium wesentlich fester und in größeren Mengen fest als die Zeolith-Perlen. Konkret fingen die Ammoniumphosphomolybdat-Perlen etwa 0,102 Millimol Cäsium pro Gramm Material ein, während die Zeolith-Perlen etwa 0,078 Millimol pro Gramm einfingen. Der Unterschied war noch markanter in der Art und Weise, wie stark sie das Cäsium festhielten; die Ammoniumphosphomolybdat-Perlen zeigten einen Verteilungskoeffizienten – ein Maß dafür, wie effektiv ein Material eine Substanz aus Wasser zieht – der etwa siebenmal höher war als der der Zeolith-Perlen.

Um zu sehen, ob diese Materialien in einem kontinuierlichen Fluss funktionieren können, ähnlich wie es in einer Wasseraufbereitungsanlage der Fall ist, packten die Forscher die Perlen in eine Säule und pumpten das kontaminierte Meerwasser mit hohen Geschwindigkeiten hindurch. Sie testeten Durchflussraten von bis zu 50 Millilitern pro Minute. Selbst bei diesem schnellen Tempo entfernten die Ammoniumphosphomolybdat-Perlen 99 Prozent des Cäsiums. Als die Fließgeschwindigkeit leicht anstieg, sank die Effizienz, blieb aber über 90 Prozent, was bewies, dass das Material dem Druck eines realen Aufbereitungssystems standhalten konnte, ohne seine Wirksamkeit zu verlieren. Auch die Zeolith-Perlen schnitten gut ab und entfernten unter ähnlichen Bedingungen über 90 Prozent des Cäsiums, hinkten jedoch sowohl in der Kapazität als auch in der Stärke der Bindung dem Ammoniumphosphomolybdat konsequent hinterher.

Das Team untersuchte auch genau, was mit den Perlen geschah, nachdem sie ihre Aufgabe erfüllt hatten. Mit leistungsstarken Mikroskopen und chemischen Scannern untersuchten sie die Oberfläche der Perlen vor und nach der Cäsium-Exposition. Sie fanden heraus, dass die Perlen physisch stabil blieben; ihre interne Struktur kollabierte nicht, und ihre Oberfläche, die entscheidend für das Auffangen von Schadstoffen ist, blieb fast exakt gleich. Die Scans bestätigten, dass sich Cäsium tatsächlich an der Oberfläche der Perlen angelagert hatte. Die Scans zeigten jedoch auch, dass die Anwesenheit all der anderen Salze im Meerwasser es schwieriger machte, das Cäsium auf der Oberfläche nachzuweisen, im Vergleich zu Tests, die in reinem Wasser durchgeführt wurden. Die salzhaltige Umgebung reduzierte die Menge des auf der Oberfläche nachgewiesenen Cäsiums um etwa die Hälfte bei den Zeolith-Perlen und um etwa 45 Prozent bei den Ammoniumphosphomolybdat-Perlen. Dies bestätigte, dass, obwohl das Meerwasser die Aufgabe erschwerte, die Ammoniumphosphomolybdat-Perlen robust genug waren, um den Wettbewerb durch die Salzionen zu überwinden.

Letztendlich zeigt die Forschung, dass das Umhüllen dieser spezifischen Mineralien in eine Schale aus Algen eine dauerhafte und effektive Methode zur Reinigung von radioaktivem Cäsium aus salzigem Wasser darstellt. Die Ammoniumphosphomolybdat-Perlen erwiesen sich als der stärkere Kandidat, da sie eine höhere Kapazität und eine bessere Bindung des radioaktiven Elements selbst bei hohen Salzkonzentrationen boten. Die Studie legt nahe, dass diese Verbundwerkstoffe bereit für die weitere Entwicklung als praktische Methode zur Behandlung von nuklearem Abwasser sind und einen Weg bieten, gefährliche Strahlung vom Ozean zu trennen, ohne dass die Materialien zerfallen oder weggespült werden.