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

Lorsqu'une centrale nucléaire est mise à l'arrêt, ses composants métalliques doivent être nettoyés de la poussière radioactive et de la corrosion avant de pouvoir être recyclés ou éliminés en toute sécurité. Pour ce faire, les travailleurs utilisent souvent une solution de nettoyage puissante à base d'acide oxalique, un produit chimique courant que l'on trouve dans les produits anti-rouille et même dans certains aliments. Cet acide est excellent pour dissoudre les films d'oxyde tenaces qui retiennent les particules radioactives en place. Cependant, une fois le nettoyage terminé, le déchet liquide présente un nouveau problème : il est saturé d'acide résiduel et de métaux dissous comme le fer et le cobalt. Si ce mélange n'est pas traité correctement, l'acide restant peut interférer avec les futures étapes de traitement des déchets. Des scientifiques explorent une méthode de haute technologie pour détruire cet acide résiduel à l'aide de plasma sous-marin, une forme de décharge électrique qui crée une explosion de produits chimiques réactifs dans l'eau. L'objectif est de briser les molécules d'acide afin qu'elles ne représentent plus une menace chimique, mais la présence de métaux dissous pourrait modifier l'efficacité de ce processus.

Une équipe de chercheurs de l'Institut de recherche sur l'énergie atomique de Corée et de l'Institut coréen de l'énergie de fusion s'est donné pour mission de voir comment différents mélanges métalliques affectent ce processus de nettoyage. Ils ont créé quatre lots distincts d'eaux usées simulées, contenant chacun la même quantité d'acide oxalique, mais avec différentes combinaisons de fer et de cobalt ajoutées. Un lot ne contenait aucun métal, un autre ne contenait que du cobalt, un autre uniquement du fer, et le dernier contenait un mélange des deux. Ils ont ensuite soumis chaque lot à un traitement par plasma sous-marin pendant une durée allant jusqu'à soixante minutes, en prélevant des échantillons toutes les dix minutes pour mesurer la quantité d'acide restante. Pour suivre l'acide, ils ont utilisé une méthode précise appelée chromatographie ionique, qui sépare et compte les molécules d'acide, et ils ont également observé comment le liquide absorbait la lumière, cherchant des changements de couleur ou de clarté qui pourraient indiquer des changements chimiques.

Les résultats ont révélé une différence frappante selon les métaux présents. Dans les lots sans fer, ou ne contenant que du cobalt, le plasma a fonctionné rapidement et efficacement. En vingt ou trente minutes, la quantité d'acide détectable est tombée à des niveaux si bas que les instruments ne pouvaient plus la trouver. Le liquide est devenu chimiquement propre de l'acide cible en peu de temps. Cependant, le lot contenant uniquement du fer s'est comporté de manière très différente. Après soixante minutes de traitement, une quantité significative d'acide restait dans l'eau. Les instruments détectaient encore 42,2 milligrammes par litre, ce qui représentait près de quatre-vingts pour cent de la quantité présente au départ. Alors que les autres solutions avaient été purgées, ce mélange riche en fer retenait son acide avec ténacité.

Les chercheurs ont également examiné le liquide avec un spectromètre, un instrument qui mesure la quantité de lumière absorbée par la solution à différentes couleurs. Ils ont découvert que le liquide contenant du fer conservait une lueur persistante dans le domaine du proche ultraviolet, un type de lumière invisible à l'œil humain mais détectable par des machines. Ce signal optique est resté fort même lorsque le traitement se poursuivait, suggérant que le fer et l'acide formaient un partenariat stable, ou un complexe, que le plasma peinait à briser. En revanche, les autres lots ont perdu ce signal d'absorption lumineuse à mesure que l'acide disparaissait. Pour comprendre ce qui arrivait au fer lui-même, les scientifiques ont ajouté un colorant spécial appelé ferrozine à de petits échantillons du liquide. Ce colorant vire au violet lorsqu'il se lie au fer dans un état chimique spécifique. Les échantillons sont devenus d'un violet profond, indiquant que le fer changeait de forme chimique, oscillant entre différents états pendant le traitement. Cela suggère que le fer n'était pas simplement présent, mais participait activement à un cycle de réactions chimiques qui pourraient avoir protégé l'acide de la destruction.

L'étude suggère que la présence de fer crée un environnement chimique unique où l'acide est protégé de la puissance de nettoyage du plasma. Le fer forme probablement une liaison serrée avec les molécules d'acide, les rendant plus difficiles à décomposer. De plus, le fer pourrait consommer les produits chimiques réactifs mêmes que le plasma génère pour le nettoyage, luttant ainsi efficacement contre le processus. Les chercheurs ont noté que la quantité de chlorure, un composant du sel utilisé pour fabriquer la solution de fer, était plus faible dans le lot contenant uniquement du fer par rapport aux autres, mais le facteur principal semblait être le fer lui-même. Bien que les lots contenant du cobalt se soient nettoyés rapidement, le lot contenant uniquement du fer a montré que le type spécifique de métal importe énormément. L'équipe a conclu que lors de l'évaluation de l'efficacité d'un traitement par plasma sur des déchets nucléaires, on ne peut pas simplement regarder les niveaux d'acide ; il faut aussi considérer les métaux spécifiques présents et surveiller les signaux optiques persistants qui suggèrent des interactions chimiques cachées.

Ce travail met en lumière une nuance cruciale dans le nettoyage des déchets nucléaires. Il ne suffit pas d'appliquer un traitement puissant et de supposer qu'il fonctionnera de la même manière sur tout type de liquide. La composition chimique des déchets, particulièrement la présence de fer, peut fondamentalement altérer le résultat. Les chercheurs ont constaté que si le plasma était très efficace pour détruire l'acide oxalique dans la plupart des scénarios, la solution riche en fer résistait au processus, conservant une grande partie de l'acide même après une heure de traitement. Cela ne signifie pas que le plasma a totalement échoué, mais plutôt que le fer a créé une barrière qui a considérablement ralenti la réaction. L'étude rappelle que dans les mélanges chimiques complexes, le comportement d'un composant peut dicter le succès de l'ensemble de l'effort de nettoyage. Pour les futurs projets de décontamination, cela signifie que les ingénieurs devront peut-être ajuster leurs stratégies ou ajouter des étapes supplémentaires si le fer fait partie importante du flux de déchets, afin de garantir que l'acide est totalement neutralisé avant que l'eau ne soit traitée plus loin.