Influence of iron and cobalt on oxalic acid degradation during underwater non-thermal plasma treatment of simulated chemical decontamination effluents

Wenn eine Kernkraftanlage stillgelegt wird, müssen ihre Metallkomponenten von radioaktivem Staub und Korrosion gereinigt werden, bevor sie recycelt oder sicher entsorgt werden können. Um dies zu erreichen, verwenden Arbeiter oft eine starke Reinigungslösung auf Basis von Oxalsäure, einer gängigen Chemikalie, die in Rostlösern und sogar in einigen Lebensmitteln vorkommt. Diese Säure ist hervorragend darin, die hartnäckigen Oxidfilme aufzulösen, die radioaktive Partikel an ihrem Platz halten. Sobald die Reinigung jedoch abgeschlossen ist, bleibt der flüssige Abfall mit einem neuen Problem zurück: Er ist voller überschüssiger Säure und gelöster Metalle wie Eisen und Kobalt. Wenn diese Mischung nicht ordnungsgemäß behandelt wird, kann die verbleibende Säure zukünftige Abfallverarbeitungsschritte stören. Wissenschaftler erforschen eine hochmoderne Methode, um diese überschüssige Säure mittels Unterwasserplasma zu zerstören – einer Form elektrischer Entladung, die einen Stoß reaktiver Chemikalien im Wasser erzeugt. Das Ziel ist es, die Säuremoleküle so aufzuspalten, dass sie keine chemische Bedrohung mehr darstellen, aber das Vorhandensein gelöster Metalle könnte beeinflussen, wie gut dieser Prozess funktioniert.

Ein Forschungsteam des Korea Atomic Energy Research Institute und des Korea Institute of Fusion Energy setzte sich zum Ziel zu untersuchen, wie unterschiedliche Metallmischungen diesen Reinigungsprozess beeinflussen. Sie erstellten vier separate Chargen von simuliertem Abwasser, die jeweils die gleiche Menge an Oxalsäure enthielten, aber mit unterschiedlichen Kombinationen von Eisen und Kobalt versetzt waren. Eine Charge enthielt keine Metalle, eine nur Kobalt, eine nur Eisen und die letzte eine Mischung aus beiden. Sie unterzogen jede Charge für bis zu sechzig Minuten einer Unterwasserplasma-Behandlung und nahmen alle zehn Minuten Proben, um zu messen, wie viel Säure verblieb. Um die Säure zu verfolgen, verwendeten sie eine präzise Methode namens Ionenchromatographie, bei der die Säuremoleküle getrennt und gezählt werden, und sie beobachteten auch, wie die Flüssigkeit Licht absorbierte, wobei sie nach Veränderungen in Farbe oder Klarheit suchten, die auf chemische Verschiebungen hindeuten könnten.

Die Ergebnisse zeigten einen markanten Unterschied, je nachdem, welche Metalle vorhanden waren. In den Chargen ohne Eisen oder mit nur Kobalt arbeitete das Plasma schnell und effizient. Innerhalb von zwanzig bis dreißig Minuten sank die Menge der detektierbaren Säure auf ein so niedriges Niveau, dass die Instrumente sie nicht mehr finden konnten. Die Flüssigkeit war in kurzer Zeit chemisch rein von der Zielsäure. Die Charge, die jedoch nur Eisen enthielt, verhielt sich sehr anders. Nach sechzig Minuten Behandlung war noch eine signifikante Menge an Säure im Wasser vorhanden. Die Instrumente detektierten immer noch 42,2 Milligramm pro Liter, was fast achtzig Prozent der Menge zu Beginn war. Während die anderen Lösungen gereinigt worden waren, hielt diese eisenreiche Mischung ihre Säure hartnäckig fest.

Die Forscher untersuchten die Flüssigkeit auch mit einem Spektrometer, einem Instrument, das misst, wie viel Licht die Lösung bei verschiedenen Farben absorbiert. Sie fanden heraus, dass die eisenhaltige Flüssigkeit ein beständiges Leuchten im Nahinfrarotbereich beibehielt, einer Art von Licht, das für das menschliche Auge unsichtbar, aber für Maschinen detektierbar ist. Dieses optische Signal blieb stark, während die Behandlung fortschritten, was darauf hindeutete, dass das Eisen und die Säure eine stabile Partnerschaft oder einen Komplex bildeten, den das Plasma nur schwer aufbrechen konnte. Im Gegensatz dazu verloren die anderen Chargen dieses lichtabsorbierende Signal, als die Säure verschwand. Um zu verstehen, was mit dem Eisen selbst geschah, fügten die Wissenschaftler kleine Proben der Flüssigkeit einen speziellen Farbstoff namens Ferrozin hinzu. Dieser Farbstoff färbt sich violett, wenn er an Eisen in einem spezifischen chemischen Zustand bindet. Die Proben wurden tiefviolett, was darauf hindeutete, dass das Eisen seinen chemischen Zustand änderte und während der Behandlung zwischen verschiedenen Zuständen wechselte. Dies deutet darauf hin, dass das Eisen nicht einfach nur dort saß, sondern aktiv an einem Zyklus chemischer Reaktionen teilnahm, der die Säure möglicherweise vor der Zerstörung schützte.

Die Studie legt nahe, dass die Anwesenheit von Eisen eine einzigartige chemische Umgebung schafft, in der die Säure vor der Reinigungskraft des Plasmas abgeschirmt wird. Das Eisen bildet wahrscheinlich eine enge Bindung mit den Säuremolekülen, was sie schwerer abbaubar macht. Darüber hinaus könnte das Eisen genau die reaktiven Chemikalien verbrauchen, die das Plasma zur Reinigung erzeugt, und so effektiv gegen den Prozess ankämpfen. Die Forscher stellten fest, dass die Menge an Chlorid, einer Komponente des Salzes, das zur Herstellung der Eisenlösung verwendet wurde, in der reinen Eisencharge niedriger war als in den anderen, aber der primäre Faktor schien das Eisen selbst zu sein. Während die kobalthaltigen Chargen schnell gereinigt wurden, zeigte die eisenhaltige Charge, dass die spezifische Art des Metalls enorm wichtig ist. Das Team kam zu dem Schluss, dass man bei der Bewertung der Wirksamkeit einer Plasmabehandlung auf Nuklearabfälle nicht einfach nur auf die Säurewerte schauen darf; man muss auch die spezifischen vorhandenen Metalle berücksicht- und nach verbleibenden optischen Signalen Ausschau halten, die auf verborgene chemische Wechselwirkungen hindeuten.

Diese Arbeit verdeutlicht eine entscheidende Nuance bei der Reinigung von Nuklearabfällen. Es reicht nicht aus, eine leistungsstarke Behandlung anzuwenden und davon auszugehen, dass sie bei jeder Art von Flüssigkeit gleich funktionieren wird. Die chemische Zusammensetzung des Abfalls, insbesondere das Vorhandensein von Eisen, kann das Ergebnis grundlegend verändern. Die Forscher fanden heraus, dass das Plasma zwar in den meisten Szenarien äußerst effektiv beim Abbau von Oxalsäure war, die eisenreiche Lösung jedoch den Prozess widerstand und einen großen Teil der Säure selbst nach einer Stunde Behandlung zurückhielt. Dies bedeutet nicht, dass das Plasma völlig versagt hat, sondern vielmehr, dass das Eisen eine Barriere schuf, die die Reaktion erheblich verlangsamte. Die Studie dient als Erinnerung daran, dass in komplexen chemischen Gemischen das Verhalten einer einzelnen Komponente über den Erfolg des gesamten Reinigungsbemühungen entscheiden kann. Für zukünftige Dekontaminationsprojekte bedeutet dies, dass Ingenieure ihre Strategien anpassen oder zusätzliche Schritte hinzufügen müssen, falls Eisen ein wesentlicher Bestandteil des Abfallstroms ist, um sicherzustellen, dass die Säure vollständig neutralisiert wird, bevor das Wasser weiterverarbeitet wird.