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

Cette étude démontre que l'ammonium phosphomolybdate (AMP) et la zéolithe naturelle immobilisés dans des microcapsules d'alginate sont des adsorbants efficaces et stables pour l'élimination du césium de l'eau de mer simulée, l'AMP-alginate présentant des coefficients de distribution et une capacité d'adsorption supérieurs à ceux de la zéolithe naturelle-alginate.

Auteurs originaux : Chun-Liang Yeh, Pei-Yu Lin, Hsiang-Yu Kuo, Yu-Hung Wang, Shih-Chin Tsai, Chuan-Pin Lee, Yu-Yuan Lai, Chun-Hao Chen, Jian-Wei You, Ching-Yi Chen

Publié 2026-09-03

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Chun-Liang Yeh, Pei-Yu Lin, Hsiang-Yu Kuo, Yu-Hung Wang, Shih-Chin Tsai, Chuan-Pin Lee, Yu-Yuan Lai, Chun-Hao Chen, Jian-Wei You, Ching-Yi Chen

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Lorsqu'une installation nucléaire fonctionne, ou lorsqu'elle est démantelée, elle produit de l'eau contaminée par des éléments radioactifs. Parmi ceux-ci, le césium est une préoccupation particulière. Il se dissout facilement dans l'eau, se déplace rapidement dans l'environnement et reste radioactif pendant des décennies. Son élimination est vitale pour la sécurité, mais cela devient un casse-tête difficile lorsque cette eau est de l'eau de mer. L'eau de mer est chargée de sels communs comme le sodium, le potassium, le calcium et le magnésium. Ces ions inoffensifs évincent le césium radioactif, ce qui rend difficile la tâche des matériaux de nettoyage standards pour s'agripper à l'élément dangereux. Les scientifiques savent depuis longtemps que certains minéraux peuvent agir comme des aimants pour le césium, l'extrayant de l'eau tout en ignorant le sel. Cependant, transformer ces poudres minérales fines en quelque chose de pratique pour une rivière en mouvement ou une usine de traitement est délicat ; la poudre est trop fine pour être filtrée facilement, et le sel dans l'eau affaiblit souvent son adhérence.

Des chercheurs à Taïwan ont entrepris de résoudre ce problème spécifique en testant deux différents matériaux à base de minéraux conçus pour fonctionner dans un environnement d'eau de mer. Ils ont pris un minéral hautement sélectif appelé phosphomolybdate d'ammonium et un minéral naturel connu sous le nom de zéolite, puis ont enveloppé chacun d'eux dans une coquille molle et gélatineuse faite d'extrait d'algues. Cette coquille, appelée microcapsule d'alginate, agit comme un filet protecteur. Elle maintient la fine poudre minérale en place afin qu'elle puisse être versée dans une colonne et lavée avec de l'eau sans être emportée, tout en laissant l'eau circuler pour toucher le minéral à l'intérieur. L'équipe voulait voir lequel de ces deux minéraux enveloppés serait le meilleur pour capturer le césium d'une eau de mer simulée, et s'ils pouvaient le faire assez rapidement pour être utiles dans un système de traitement réel.

L'étude a commencé par la création de ces minuscules capsules. Les chercheurs ont mélangé les poudres minérales avec une solution liquide d'algues et ont laissé tomber le mélange dans un bain de calcium. Le calcium a agi comme une colle, transformant instantanément les gouttes en billes fermes et rondes qui emprisonnent les minéraux à l'intérieur. Ils ont fabriqué deux lots : l'un rempli de phosphomolybdate d'ammonium et l'autre de la zéolite naturelle. Pour les tester, ils ont versé de l'eau de mer artificielle, mélangée à une petite quantité de césium, sur les billes. Ils ont mesuré la quantité de césium que les billes pouvaient contenir et l'efficacité avec laquelle elles le retenaient hors de l'eau. Les résultats ont montré une différence claire entre les deux. Les billes contenant du phosphomolybdate d'ammonium se sont révélées être le capteur supérieur. Elles retenaient le césium beaucoup plus étroitement et en plus grande quantité que les billes de zéolite. Plus précisément, les billes de phosphomolybdate d'ammonium ont capturé environ 0,102 millimole de césium par gramme de matériau, tandis que les billes de zéolite en ont capturé environ 0,078 millimole par gramme. La différence était encore plus frappante dans la force avec laquelle elles retenaient le césium ; les billes de phosphomolybdate d'ammonium présentaient un coefficient de distribution, une mesure de l'efficacité avec laquelle un matériau extrait une substance de l'eau, qui était environ sept fois plus élevé que celui des billes de zéolite.

Pour voir si ces matériaux pouvaient fonctionner dans un flux continu, similaire au fonctionnement d'une usine de traitement des eaux, les chercheurs ont rempli une colonne avec les billes et ont pompé l'eau de mer contaminée à travers elles à des vitesses élevées. Ils ont testé des débits allant jusqu'à 50 millilitres par minute. Même à ce rythme rapide, les billes de phosphomolybdate d'ammonium ont éliminé 99 % du césium. Lorsque la vitesse de circulation augmentait légèrement, l'efficacité chutait mais restait supérieure à 90 %, prouvant que le matériau pouvait supporter la pression d'un système de traitement réel sans perdre son efficacité. Les billes de zéolite ont également bien performé, éliminant plus de 90 % du césium dans des conditions similaires, mais elles accusaient systématiquement un retard par rapport au phosphomolybdate d'ammonium, tant en capacité qu'en force de capture.

L'équipe a également examiné de près ce qui arrivait aux billes après avoir accompli leur tâche. À l'aide de microscopes puissants et de scanners chimiques, ils ont examiné la surface des billes avant et après l'exposition au césium. Ils ont constaté que les billes restaient physiquement stables ; leur structure interne ne s'effondrait pas et leur surface, cruciale pour capturer les contaminants, restait presque exactement la même. Les scans ont confirmé que le césium s'était effectivement attaché à la surface des billes. Cependant, les scans ont également révélé que la présence de tous les autres sels dans l'eau de mer rendait plus difficile la détection du césium à la surface par rapport aux tests effectués dans l'eau pure. L'environnement salin a réduit la quantité de césium détectée à la surface d'environ la moitié pour les billes de zéolite et d'environ 45 % pour le phosphomolybdate d'ammonium. Cela a confirmé que, bien que l'eau de mer rende la tâche plus difficile, les billes de phosphomolybdate d'ammonium étaient toujours assez robustes pour surmonter la compétition des ions de sel.

En fin de compte, la recherche démontre que l'enveloppement de ces minéraux spécifiques dans une coquille à base d'algues crée un outil durable et efficace pour nettoyer le césium radioactif de l'eau salée. Les billes de phosphomolybdate d'ammonium se sont révélées être le candidat le plus fort, offrant une capacité plus élevée et une meilleure rétention de l'élément radioactif, même en présence de fortes concentrations de sel. L'étude suggère que ces matériaux composites sont prêts pour un développement ultérieur en tant que méthode pratique pour traiter les eaux usées nucléaires, offrant un moyen de séparer la radiation dangereuse de l'océan sans que les matériaux ne se dégradent ou ne soient emportés.

Résumé technique : Étude sur l'élimination du césium de l'eau de mer simulée à l'aide de phosphomolybdate d'ammonium (AMP) et de microcapsules d'alginate de zéolithe naturelle

Problématique
Le traitement des eaux usées radioactives, particulièrement celles provenant d'installations nucléaires et de scénarios post-accidentels comme celui de Fukushima, nécessite l'élimination efficace du radiocésium ( $^{137}\text{Cs}$ ). Bien que le césium soit hautement soluble et mobile, son élimination de milieux salins tels que l'eau de mer est considérablement entravée par les concentrations élevées de cations concurrents ( $\text{Na}^+$ , $\text{K}^+$ , $\text{Mg}^{2+}$ , $\text{Ca}^{2+}$ ). Ces ions entrent en compétition pour les sites d'adsorption, réduisant souvent l'efficacité des adsorbants standards. De plus, bien que les échangeurs d'ions inorganiques comme le phosphomolybdate d'ammonium (AMP) et les zéolithes naturelles possèdent une sélectivité élevée pour le césium, leur application directe est limitée par la finesse de la taille des particules, ce qui complique la séparation solide-liquide et la manipulation dans les systèmes à flux continu. Il est nécessaire d'évaluer et de comparer ces matériaux lorsqu'ils sont immobilisés dans une matrice pratique sous des conditions salines réalistes.

Méthodologie
L'étude a développé deux adsorbants composites inorganiques-alginate en immobilisant séparément de la zéolithe naturelle (5 % m/m) et du phosphomolybdate d'ammonium (AMP, 8 % m/m) au sein de microcapsules de sodium alginate. La préparation a consisté à mélanger les poudres inorganiques avec une solution d'alginate de sodium à 1 % en poids, suivie d'une réticulation ionique par ajout goutte à goutte dans une solution de $\text{CaCl}_2$ à 0,5 M pour former des microcapsules d'hydrogel stables.

La performance de ces composites a été évaluée par :

Eau de mer simulée : Préparée selon les normes ASTM D1141 pour reproduire la composition ionique complexe de l'eau de mer naturelle.
Tests d'adsorption par lots : Réalisés pour déterminer la capacité d'adsorption à l'équilibre ( $q_{max}$ ) et le coefficient de distribution ( $K_d$ ) en utilisant des isotopes stables de césium non radioactifs comme substituts.
Expériences de colonne dynamique : Effectuées à l'aide d'un système de lit compact avec des débits allant de 41,6 à 50,0 mL/min pour évaluer l'efficacité d'élimination ( $R\%$ ) dans des conditions de flux continu.
Caractérisation : Les matériaux ont été analysés par adsorption d'azote (BET) pour la surface spécifique, par microscopie électronique à balayage avec spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (MEB-EDS) pour la morphologie et la distribution élémentaire, par fluorescence de rayons X (XRF) et par diffraction des rayons X (XRD).

Résultats clés

Performance d'adsorption : Les microcapsules d'AMP-alginate ont démontré une performance supérieure par rapport à la zéolithe naturelle-alginate. Le coefficient de distribution ( $K_d$ ) pour l'AMP-alginate était de $1,09 \times 10^5$ mL/g, soit environ 7,6 fois plus élevé que celui de la zéolithe naturelle-alginate ( $1,43 \times 10^4$ mL/g). De même, la capacité d'adsorption maximale ( $q_{max}$ ) de l'AMP-alginate était de $0,102 \pm 0,001$ mmol/g, dépassant les $0,078 \pm 0,001$ mmol/g observés pour le composite de zéolithe.
Efficacité d'élimination dynamique : Dans les expériences de filtration en colonne, les deux composites ont atteint des efficacités d'élimination du césium élevées ( $\geq 90 \%$ ) même à des débits élevés ( $> 45$ mL/min). Plus précisément, l'AMP-alginate a maintenu un taux d'élimination de 99 % à 41,6 mL/min et de 92 % pour des débits $\geq 50$ mL/min.
Stabilité structurelle : L'analyse N-BET a révélé que les surfaces spécifiques des deux adsorbants sont restées largement inchangées après l'adsorption (diminuant seulement légèrement de 120,5 à 117,4 m²/g pour l'AMP et de 31,5 à 29,4 m²/g pour la zéolithe), indiquant que les structures poreuses et l'intégrité physique ont été maintenues dans des conditions de haute salinité.
Morphologie de surface et analyse élémentaire : Les images MEB ont montré que les deux adsorbants ont développé des surfaces plus rugueuses avec des dépôts particulaires après l'adsorption. L'analyse EDS a confirmé la présence de césium sur les deux matériaux. Cependant, l'intensité du signal du césium était environ 45 à 55 % plus faible dans l'eau de mer simulée par rapport à l'eau déionisée, soulignant l'impact significatif des ions concurrents sur la rétention de surface.

Signification et revendications
Les auteurs affirment que cette étude fournit une évaluation comparative directe de l'AMP et de la zéolithe naturelle lorsqu'elles sont immobilisées dans la même matrice d'alginate sous des conditions salines identiques. La principale signification réside dans la démonstration que, bien que les deux matériaux soient efficaces pour l'élimination du césium, l'AMP-alginate offre des coefficients de distribution et des capacités d'adsorption supérieurs dans des environnements salins complexes. L'étude établit que l'immobilisation de ces poudres inorganiques fines dans des microcapsules d'alginate permet de surmonter avec succès les défis de manipulation et de séparation sans compromettre la stabilité structurelle. Par conséquent, les auteurs postulent que ces composites, en particulier la variante AMP-alginate, sont des candidats appropriés pour des applications de traitement continu des eaux usées impliquant des effluents radioactifs salins. Ce travail souligne la nécessité de tester les adsorbants dans des matrices salines réalistes plutôt que dans des solutions à composant unique simplifiées afin de prédire avec précision les performances dans les scénarios d'eaux usées nucléaires.

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