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Iodine Removal from CsI by FeCl2-Assisted Air Oxidation

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि 500°C पर 4 घंटे के लिए वायु ऑक्सीकरण के तहत CsI में FeCl₂ मिलाने से CsI को CsCl में बदलकर और आयोडीन को I₂ के रूप में वाष्पीकृत करके 98.37% आयोडीन निष्कासन दक्षता प्राप्त होती है, जो प्रयुक्त परमाणु ईंधन के उपचार के लिए एक आशाजनक विधि प्रदान करता है।

मूल लेखक: Baoshan Ma, Yanhong Jia, Hui He

प्रकाशित 2026-09-23

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Baoshan Ma, Yanhong Jia, Hui He

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परमाणु ऊर्जा संयंत्र परमाणुओं को विभाजित करके बिजली उत्पन्न करते हैं, लेकिन यह प्रक्रिया पीछे उपयोग किए गए ईंधन को छोड़ देती है जिसमें रेडियोधर्मी तत्वों का मिश्रण होता है। इनमें, आयोडीन एक विशेष चिंता का विषय है क्योंकि इसके एक रूप, आयोडीन-129, का रेडियोधर्मी प्रभाव अविश्वसनीय रूप से लंबे समय तक बना रहता है और यह पर्यावरण में आसानी से फैल सकता है। यदि यह मुक्त हो जाता है, तो यह मानव थायराइड ग्रंथि में जमा होने लगता है, जिससे स्वास्थ्य के लिए गंभीर खतरा पैदा होता है। इसे प्रबंधित करने के लिए, वैज्ञानिकों को ईंधन से आयोडीन को पकड़ने और निकालने के तरीके खोजने चाहिए इससे पहले कि यह एक खतरे में बदल जाए। उन उच्च-ताप वातावरणों में जहाँ ईंधन को संसाधित किया जाता है, आयोडीन अक्सर सीज़ियम, जो एक अन्य सामान्य उपोत्पाद है, के साथ मजबूती से जुड़कर सीज़ियम आयोडाइड नामक एक स्थिर ठोस यौगिक बनाता है। यह यौगिक टूटकर अलग करना कठिन है; इसे केवल गर्म करने या इस पर हवा चलाने से आयोडीन को मुक्त करने के लिए पर्याप्त नहीं होता है, क्योंकि वह ठोस संरचना के भीतर फंसा रहता है।

चीन परमाणु ऊर्जा संस्थान के शोधकर्ताओं ने इस बंधन को तोड़ने और आयोडीन को हटाने का अधिक प्रभावी तरीका खोजने का प्रयास किया। उन्होंने वास्तविक उपयोग किए गए ईंधन के सुरक्षित, गैर-रेडियोधर्मी विकल्प के रूप में सीज़ियम आयोडाइड का उपयोग विभिन्न तरीकों का परीक्षण करने के लिए किया। उनके प्रारंभिक प्रयोगों में इस सामग्री को शुद्ध ऑक्सीजन या ओजोन युक्त मिश्रण जैसे शक्तिशाली ऑक्सीकरण गैसों की उपस्थिति में गर्म करना शामिल था। लक्ष्य यह देखना था कि क्या ये गैसें आयोडीन को गैस में बदलने और बाहर निकलने के लिए मजबूर कर सकती हैं। हालाँकि, परिणाम निराशाजनक थे। इन शक्तिशाली गैसों के साथ भी, ठोस सामग्री में बहुत कम बदलाव आया, और बहुत कम आयोडीन हटाया गया। सीज़ियम आयोडाइड की स्थिर संरचना अडिग रही, जिससे यह सिद्ध हुआ कि केवल एक मजबूत ऑक्सीकरण वातावरण ही आयोडीन को मुक्त करने की कुंजी नहीं था।

इसके बाद टीम ने मिश्रण में एक नया तत्व पेश किया: एक सरल रसायन जिसे फेरस क्लोराइड कहा जाता है। जब उन्होंने सीज़ियम आयोडाइड में इस पदार्थ को मिलाया और मिश्रण को साधारण हवा में गर्म किया, तो परिणाम नाटकीय रूप से बदल गया। आयोडीन, जो पहले जिद्दी रूप से फंसा हुआ था, ठोस से निकलकर हवा में जाने लगा। शोधकर्ताओं ने पाया कि एक बार फेरस क्लोराइड मौजूद होने के बाद उपयोग की जाने वाली गैस का प्रकार बहुत अधिक मायने नहीं रखता था; चाहे उन्होंने शुद्ध ऑक्सीजन, ओजोन या केवल साधारण हवा का उपयोग किया हो, आयोोडिन हटाने की दक्षता लगभग समान थी। इससे यह संकेत मिला कि फेरस क्लोराइड मुख्य कार्य कर रहा था, एक उत्प्रेरक (कैटालिस्ट) के रूप में कार्य करते हुए जिसने महंगी या जटिल गैस आपूर्ति की आवश्यकता के बिना इस प्रतिक्रिया को संभव बनाया।

प्रक्रिया के लिए आदर्श स्थितियों को खोजने के लिए, वैज्ञानिकों ने मिश्रण को गर्म करने के समय, तापमान और आयोडीन यौगिक के अनुपात में जोड़े गए रसायन के अनुपात में भिन्नता की। उन्होंने पाया कि सबसे प्रभावी सेटअप में मिश्रण को 500 डिग्री सेल्सियस पर चार घंटे तक गर्म करना, और सीज़ियम आयराइड के बराबर मात्रा में फेरस क्लोराइड का उपयोग करना शामिल था। इन विशिष्ट परिस्थितियों के तहत, इस विधि ने सफलतापूर्वक लगभग 98.4 प्रतिशत आयोडीन को सफलतापूर्वक हटा दिया। प्रतिक्रिया के बाद बचा हुआ ठोस पदार्थ अब मूल सीज़ियम आयोडाइड नहीं था। इसके बजाय, विश्लेषण ने दिखाया कि यह दो नए पदार्थों में बदल गया था: सीज़ियम क्लोराइड, जो एक स्थिर नमक है, और आयरन ऑक्साइड, जो एक लाल रंग का पाउडर है।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि आयोडीन के साथ क्या हुआ। चूंकि शेष ठोस में आयोडीन यौगिकों की कोई महत्वपूर्ण मात्रा नहीं थी, और चूंकि रासायनिक स्थितियाँ गैस के रूप में निकलने के अनुकूल थीं, इसलिए शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि आयोडीन मुख्य रूप से मौलिक आयोडीन गैस के रूप में बाहर निकला। यह प्रक्रिया मूल रूप से यौगिक में मौजूद आयोडीन को जोड़े गए रसायन से प्राप्त क्लोरीन के साथ बदल देती है, जिससे एक नया ठोस नमक बनता है और आयोडीन को हवा में मुक्त कर दिया जाता है जहाँ इसे पकड़ा जा सके। यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रदर्शित करती है कि एक सरल, कम लागत वाला रसायन साधारण हवा के साथ वह हासिल कर सकता है जो शक्तिशाली ऑक्सीकरण गैसें अकेले नहीं कर सकीं। इसके अलावा, पीछे छूटा हुआ आयरन ऑक्साइड कमजोर चुंबकीय है, जो संभावित रूप से अंतिम अपशिष्ट उत्पाद से लोहे के आसान पृथक्करण और रिकवरी की अनुमति दे सकता है। यह कार्य परमाणु ईंधन से आयोडीन को साफ करने के लिए एक व्यावहारिक, प्रयोगात्मक रूप से समर्थित मार्ग प्रदान करता है, जो जटिल वायुमंडलीय नियंत्रणों के बजाय एक सरल रासायनिक प्रतिक्रिया पर निर्भर करता है।

तकनीकी सारांश: $\text{FeCl}_2$ -सहायता प्राप्त वायु ऑक्सीकरण द्वारा CsI से आयोडीन निष्कासन

समस्या विवरण
आयोडीन समस्थानिकों, विशेष रूप से दीर्घजीवी $^{129}\text{I}$ का प्रबंधन, प्रयुक्त परमाणु ईंधन पुनर्संसाधन (reprocessing) में एक महत्वपूर्ण चुनौती है क्योंकि इसकी उच्च गतिशीलता और रेडियोलॉजिकल जोखिम अधिक है। ऑक्साइड प्रयुक्त ईंधन में, सीज़ियम और आयोडीन स्थिर सीज़ियम आयोडाइड (CsI) बनाते हैं, जो मानक तापीय स्थितियों के तहत वाष्पशील होने का विरोध करता है। पिछले शोध संकेत देते हैं कि केवल तापमान बढ़ाना या मजबूत ऑक्सीकरण वातावरण (जैसे ऑक्सीजन या ओजोन) का उपयोग करना, स्थिर CsI जाली (lattice) को प्रभावी ढंग से तोड़ने और आयोडीन को मुक्त करने के लिए अपर्याप्त है। जबकि $\text{NO}_2$ या गैसीय क्लोरिनेशन ( $\text{Cl}_2$ ) का उपयोग करने वाली उन्नत ऑक्सीकरण विधियों ने आशाजनक परिणाम दिखाए हैं, वे अभिकर्मक के बार-बार पुनर्भरण की आवश्यकता, सतह की नमी के प्रति संवेदनशीलता, या क्लोरीन गैस से जुड़े उपकरण क्षरण और ऑफ-गैस शुद्धिकरण के बोझ जैसी सीमाएं प्रस्तुत करती हैं। एक ऐसी विधि की आवश्यकता है जो सुलभ अभिकर्मकों और वातावरणों का उपयोग करके, बिना किसी महत्वपूर्ण माध्यमिक अपशिष्ट प्रवाह को पेश किए, स्थिर CsI को वाष्पशील आयोडीन प्रजातियों में प्रभावी ढंग से परिवर्तित कर सके।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में ऑक्सीडेटिव वाष्पीकरण (oxidative volatilization) की जांच करने के लिए प्रयुक्त ईंधन के गैर-रेडियोधर्मी सरोगेट (surrogate) के रूप में CsI का उपयोग किया गया। प्रयोगात्मक दृष्टिकोण में एक थर्मोग्रैविमेट्रिक एनालाइजर का उपयोग किया गया जहाँ CsI का विभिन्न स्थितियों के तहत उपचार किया गया:

वायुमंडल तुलना: प्रारंभिक परीक्षणों में एकल ऑक्सीकरण वातावरण (7% ओजोन और शुद्ध $\text{O}_2$ ) की तुलना वायु के साथ की गई, जिसमें $\text{FeCl}_2$ को एक सहायक अभिकर्मक के रूप में जोड़ा गया था या नहीं।
पैरामीटर अनुकूलन: वायु को ऑक्सीडेंट के रूप में उपयोग करते हुए $\text{FeCl}_2$ -सहायता प्राप्त प्रणाली में, अध्ययन ने प्रतिक्रिया समय, $\text{FeCl}_2/\text{CsI}$ मोलर अनुपात और प्रतिक्रिया तापमान को व्यवस्थित रूप से बदलकर इष्टतम स्थितियाँ निर्धारित कीं।
विशेषण (Characterization): निष्कासन दक्षता की गणना करने के लिए आयन क्रोमैटोग्राफी के माध्यम से अवशिष्ट आयोडीन की मात्रा निर्धारित की गई। ठोस उत्पादों का विश्लेषण चरण पहचान (phase identification) के लिए एक्स-रे विवर्तन (XRD), आकारिकी (morphology) और तात्विक मानचित्रण के लिए स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी विद एनर्जी डिस्पर्सिव स्पेक्ट्रोस्कोपी (SEM-EDS), और सतह की रासायनिक अवस्थाओं को निर्धारित करने के लिए एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) द्वारा किया गया।

मुख्य परिणाम

एकल ऑक्सीडेंट की अप्रभावीता: 300–400°C पर शुद्ध $\text{O}_2$ या 7% ओजोन का उपयोग करके CsI का सीधा ऑक्सीकरण नगण्य भार हानि का परिणाम देता है। XRD विश्लेषण ने पुष्टि की कि ठोस मुख्य रूप से CsI बना रहा, जिसमें केवल ट्रेस मात्रा में सीज़ियम आयोडेट ( $\text{CsIO}_3$ ) बना। आयोडीन निष्कासन अप्रभावी रहा।
$\text{FeCl}_2$ की भूमिका: $\text{FeCl}_2$ के जोड़ने से आयोडीन निष्कासन में उल्लेखनीय वृद्धि हुई। वायु, 7% ओजोन और शुद्ध $\text{O}_2$ में 450°C पर, औसत आयोडीन निष्कासन दक्षता क्रमशः 97.125%, 95.305%, और 96.880% थी। विभिन्न वातावरणों में दक्षता की समानता यह सुझाव देती है कि वायु में मौजूद ऑक्सीजन प्रतिक्रिया के लिए पर्याप्त है, और $\text{FeCl}_2$ रूपांतरण का प्राथमिक चालक है।
इष्टतम स्थितियाँ: अध्ययन ने $\text{FeCl}_2$ $FeCl_{2}$ -सहायता प्राप्त वायु ऑक्सीकरण प्रणाली के लिए इष्टतम मापदंडों की पहचान की:
- मोलर अनुपात ( $\text{FeCl}_2/\text{CsI}$ ): 1:1
- तापमान: 500°C
- समय: 4 घंटे
  इन स्थितियों के तहत, आयोडीन निष्कासन दक्षता 98.37% तक पहुँच गई।
उत्पाद विश्लेषण: ठोस अवशेष मुख्य रूप से $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ और $\text{CsCl}$ से बना था। XRD और XPS ने $\text{Fe(II)}$ से $\text{Fe(III)}$ के ऑक्सीकरण और $\text{CsI}$ से $\text{CsCl}$ में रूपांतरण की पुष्टि की। आयोडीन युक्त ठोसों (जैसे $\text{CsIO}_3$ , $\text{Fe(IO}_3)_3$ ) के कोई महत्वपूर्ण क्रिस्टलीय चरण नहीं पाए गए।
अभिक्रिया तंत्र: हाइड्रोजन स्रोतों की अनुपस्थिति (निर्जल अभिकर्मकों का उपयोग करके) और वाष्पशीलता डेटा के आधार पर, अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि आयोडीन मुख्य रूप से मौलिक आयोडीन ( $\text{I}_2$ ) के रूप में वाष्पित हुआ। प्रस्तावित आदर्श अभिक्रिया है:
$4\text{FeCl}_2 + 8\text{CsI} + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{Fe}_2\text{O}_3 + 8\text{CsCl} + 4\text{I}_2\uparrow$
$\text{FeCl}_2$ दोहरी भूमिका निभाता है: $\text{CsI}$ को $\text{CsCl}$ में बदलने के लिए $\text{Cl}^-$ प्रदान करना और वायु द्वारा ऑक्सीकरण होने पर आयरन ऑक्साइड निर्माण के लिए अग्रदूत (precursor) के रूप में कार्य करना।

महत्ता और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि यह विधि प्रयुक्त ईंधन सरोगेट्स से उच्च-तापमान ऑक्सीडेटिव आयोडीन निष्कासन के लिए एक व्यवहार्य प्रयोगात्मक मार्ग प्रदान करती है। प्राथमिक महत्ता इस बात को प्रदर्शित करने में है कि:

वायु पर्याप्त है: उच्च-शुद्धता वाली ऑक्सीजन या ओजोन उत्पादन सख्त रूप से आवश्यक नहीं है; $\text{FeCl}_2$ के साथ जुड़ने पर वायु एक प्रभावी ऑक्सीकरण वातावरण के रूप में कार्य करती है।
दक्षता: यह प्रक्रिया गैसीय क्लोरीन से जुड़े उपकरण क्षरण के जोखिमों या $\text{NO}_2$ चक्रण की जटिलता के बिना उच्च आयोडीन निष्कासन (>98%) प्राप्त करती है।
उत्पाद उपयोगिता: परिणामी ठोस अवशेष में $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ होता है, जो कमजोर चुंबकीय है, जिससे संभावित रूप से सीज़ियम क्लोराइड उत्पाद से आयरन-युक्त अवशेष का चुंबकीय पृथक्करण किया जा सकता है।
यांत्रिक अंतर्दृष्टि: अध्ययन स्पष्ट करता है कि स्थिर CsI के रूपांतरण के लिए केवल गैसीय चरण ऑक्सीकरण के बजाय एक ठोस-चरण अभिक्रिया घटक ( $\text{FeCl}_2$ ) की आवश्यकता होती है, जो वॉलोक्साशन (voloxidation) रणनीतियों पर एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है।

लेखक इन निष्कर्षों को आयोडीन निष्कासन प्रौद्योगिकियों को विकसित करने के लिए प्रयोगात्मक समर्थन के रूप में प्रस्तुत करते हैं, यह नोट करते हुए कि यह विधि आयोडीन को प्रभावी ढंग से वाष्पित करते हुए सीज़ियम को $\text{CsCl}$ के रूप में ठोस चरण में बनाए रखती है।

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