Removal of Iron and Aluminium from Reactor Storage Pool Water Using Polymer Membranes

Resumen Técnico: Eliminación de Hierro y Aluminio del Agua de la Piscina de Almacenamiento del Reactor mediante Membranas Poliméricas

Planteamiento del Problema
El Centro de Investigación Řež opera el reactor de investigación de agua ligera LVR-15, el cual utiliza la Piscina de Almacenamiento B para el almacenamiento a largo plazo de materiales irradiados, principalmente aluminio y acero. La corrosión de estos materiales almacenados ha provocado concentraciones persistentemente elevadas de hierro (Fe) y aluminio (Al) en el agua de la piscina. Los datos de monitoreo de enero a septiembre de 2025 indicaron que, si bien la conductividad específica y los niveles de cloruro cumplían con los límites operativos, las concentraciones de hierro promediaron 0,99 mg/L y las de aluminio alcanzaron los 5050 µg/L, excediendo el límite operativo de 1 mg/L para el hierro. El tratamiento convencional utilizando resina de intercambio iónico de lecho mixto (Amberlite MB20) resultó ineficaz, probablemente debido a que los metales existen como especies de oxihidróxido poco solubles o coloides en lugar de iones disueltos. Este estudio investiga la eficacia de la filtración por membrana impulsada por presión utilizando membranas poliméricas para eliminar estos contaminantes bajo diversas condiciones de pH y con niveles de hierro aumentados artificialmente para evaluar la formación de coloides.

Metodología
El estudio empleó técnicas de microfiltración y ultrafiltración impulsadas por presión utilizando dos tipos de membranas poliméricas hidrofílicas: Éster de Celulosa Mixta (MCE) y Nylon. Las membranas probadas presentaron tamaños de poro nominales que oscilaron desde 3,0 µm hasta 0,22 µm.

Los experimentos se realizaron en muestras de agua recolectadas de la Piscina de Almacenamiento B bajo cuatro condiciones distintas:

1. pH Nativo: Filtración al pH natural de la piscina de 5,77.
2. pH Ácido: Muestras ajustadas a un pH de 2,70 mediante ácido clorhídrico.
3. pH Alcalino: Muestras ajustadas a un pH de 11,28 mediante hidróxido de sodio.
4. Adición de Hierro: Muestras enriquecidas con 5 mg/L de hierro para promover la formación de coloides, filtradas a un pH de 3,67.

La filtración se llevó a cabo utilizando una configuración de vacío estándar con muestras de 500 mL. Tras la filtración, el filtrado se analizó para determinar hierro (espectrofotométricamente), aluminio (espectroscopía de absorción atómica), pH, conductividad y turbidez. Los sólidos retenidos en las membranas se caracterizaron mediante espectroscopía Raman y FTIR. Además, se construyeron diagramas de especiación mediante PHREEQC para predecir las especies químicas dominantes de hierro y aluminio a diferentes niveles de pH, y se midió la absorbancia espectrofotométrica en un rango de longitud de onda de 190 a 290 nm.

Resultos Clave

• pH Nativo (5,77): La filtración fue más efectiva al pH natural. Para el hierro, las membranas de MCE lograron una eliminación efectiva con tamaños de poro de 0,8 µm, mientras que las membras de Nylon lograron una retención completa (por debajo del límite de detección de 0,05 mg/L) a 0,45 µm. La eliminación de aluminio también fue sustancial, con las membranas de MCE mostrando una reducción significativa a 1,2 µm, lo que sugiere la presencia de formas particuladas o coloidales.
• pH Ácido (2,70): La eficiencia de filtración disminuyó notablemente para ambos metales. Ni las membranas de MCE ni las de Nylon lograron la eliminación completa, ya que los metales existían predominantemente como cationes solubles (Fe²⁺ y Al³⁺) que atravesaban las membranas. Incluso el tamaño de poro más pequeño (0,22 µm) solo redujo el hierro al 33,9% y el aluminio al 22% de las concentraciones iniciales. El análisis espectroscópico de los sólidos retenidos a este pH confirmó la presencia de fases de FeOOH junto con cantidades menores de Fe₂O₃ y Fe₃O₄.
• pH Alcalino (11,28): La eliminación de hierro mejoró significamente con tamaños de poro más pequeños (0,22 µm), reduciendo las concentraciones al 4,49% del valor inicial, debido probablemente a la retención de las fases de hidróxido precipitadas. Por el contrario, la eliminación de aluminio siguió siendo ineficaz; las concentraciones se mantuvieron cerca de los niveles iniciales, lo que indica que el aluminio existía como complejos de aluminato solubles (Al(OH)₄⁻) que no fueron retenidos por la microfiltración.
• Adición de Hierro: La adición de 5 mg/L de hierro no mejoró significativamente la eliminación de hierro. Sin embargo, resultó en una mejora pronunciada en la eliminación de aluminio, con las membranas de 0,22 µm reduciendo el aluminio a menos del 11,4% de su valor inicial. Esto sugiere un mecanismo de coprecipitación o coagregación donde el hierro añadido facilitó la formación de partículas mixtas de Fe–Al de mayor tamaño.

Significado y Conclusiones
El estudio concluye que la eficiencia de la filtración por membrana para eliminar el hierro y el aluminio del agua de la piscina de almacenamiento del reactor depende fuertemente de la especiación química impulsada por el pH. Al pH natural de la piscina, una parte significativa de ambos metales existe en formas particuladas o coloidales que pueden ser eliminadas eficazmente por membranas de microfiltración con tamaños de poro inferiores a 0,8 µm. En contraste, las condiciones ácidas vuelven a los metales solubles y difíciles de filtrar, mientras que las condiciones alcalinas precipitan selectivamente el hierro pero dejan al aluminio en un estado soluble.

Los autores enfatizan que, si bien los diagramas de especiación proporcionan una base para comprender el comportamiento de los metales, son insuficientes para explicar completamente el rendimiento de la filtración. Las eficiencias de eliminación observadas también están influenciadas por las interacciones entre los iones disueltos, las partículas coloidales y las superficies de las membranas. El hallazgo de que la adición de hierro mejora la eliminación de aluminio mediante coprecipitación ofrece un mecanismo potencial para optimizar las estrategias de tratamiento, aunque el estudio señala que la filtración por sí sola no puede resolver completamente el problema bajo todas las condiciones químicas sin considerar la especiación específica de los contaminantes.