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

जब किसी परमाणु ऊर्जा संयंत्र को सेवानिवृत्त किया जाता है, तो उसके धातु घटकों को पुनर्चक्रण (रीसाइक्लिंग) या सुरक्षित रूप से निपटान के योग्य बनाने के लिए रेडियोधर्मी धूल और जंग से साफ करना आवश्यक होता है। ऐसा करने के लिए, कर्मचारी अक्सर ऑक्सालिक एसिड पर आधारित एक शक्तिशाली सफाई समाधान का उपयोग करते हैं, जो कि जंग हटाने वाले उत्पादों और यहाँ तक कि कुछ खाद्य पदार्थों में भी पाया जाने वाला एक सामान्य रसायन है। यह एसिड उन जिद्दी ऑक्साइड फिल्मों को घोलने में उत्कृष्ट है जो रेडियोधर्मी कणों को अपनी जगह पर थामे रखती हैं। हालाँकि, एक बार सफाई हो जाने के बाद, तरल अपशिष्ट एक नई समस्या के साथ रह जाता है: यह बचे हुए एसिड और आयरन एवं कोबाल्ट जैसे घुले हुए धातुओं से भरा होता है। यदि इस मिश्रण का उचित उपचार नहीं किया गया, तो बचा हुआ एसिड भविष्य के अपशिष्ट प्रसंस्करण चरणों में बाधा डाल सकता है। वैज्ञानिक इस बचे हुए एसिड को नष्ट करने के लिए अंडरवॉटर प्लाज्मा (पानी के नीचे प्लाज्मा) का उपयोग करके एक उच्च-तकनीकी तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं, जो कि एक विद्युत निर्वहन (इलेक्ट्रिकल डिस्चार्ज) है जो पानी में प्रतिक्रियाशील रसायनों का एक विस्फोट पैदा करता है। लक्ष्य एसिड के अणुओं को तोड़ना है ताकि वे अब रासायनिक खतरा पैदा न करें, लेकिन घुली हुई धातुओं की उपस्थिति इस प्रक्रिया की प्रभावशीलता को बदल सकती है।

कोरिया परमाणु ऊर्जा अनुसंधान संस्थान और कोरिया फ्यूजन एनर्जी संस्थान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह देखने के लिए काम शुरू किया कि विभिन्न धातु मिश्रण इस सफाई प्रक्रिया को कैसे प्रभावित करते हैं। उन्होंने सिम्युलेटेड अपशिष्ट जल के चार अलग-अलग बैच बनाए, जिनमें ऑक्सालिक एसिड की समान मात्रा थी, लेकिन उनमें आयरन और कोबाल्ट के विभिन्न संयोजन जोड़े गए थे। एक बैच में कोई धातु नहीं थी, एक में केवल कोबाल्ट था, एक में केवल आयरन था, और अंतिम में दोनों का मिश्रण था। फिर उन्होंने प्रत्येक बैच को साठ मिनट तक अंडरवॉटर प्लाज्मा उपचार के अधीन रखा, और एसिड की मात्रा मापने के लिए हर दस मिनट में नमूने लिए। एसिड को ट्रैक करने के लिए, उन्होंने आयन क्रोमैटोग्राफी नामक एक सटीक विधि का उपयोग किया, जो एसिड अणुओं को अलग करती है और उन्हें गिनती है, और उन्होंने यह भी देखा कि तरल प्रकाश को कैसे अवशोषित करता है, जिससे रंग या स्पष्टता में बदलाव का पता चल सके जो रासायनिक परिवर्तनों का संकेत दे सके।

परिणामों ने खुलासा किया कि मौजूद धातुओं के आधार पर एक बड़ा अंतर था। जिन बैचों में आयरन नहीं था, या जिनमें केवल कोबाल्ट था, उनमें प्लाज्मा तेजी से और कुशलता से काम कर रहा था। बीस से तीस मिनट के भीतर, पता लगाने योग्य एसिड की मात्रा इतनी कम हो गई कि उपकरण उसे ढूंढ नहीं पा रहे थे। तरल कम समय में लक्षित एसिड से रासायनिक रूप से साफ हो गया। हालाँकि, केवल आयरन वाला बैच बहुत अलग व्यवहार कर रहा था। साठ मिनट के उपचार के बाद भी, पानी में काफी मात्रा में एसिड बचा हुआ था। उपकरणों ने अभी भी 42.2 मिलीग्राम प्रति लीटर का पता लगाया, जो शुरुआत में मौजूद मात्रा का लगभग अस्सी प्रतिशत था। जबकि अन्य समाधानों को साफ कर दिया गया था, इस आयरन-समृद्ध मिश्रण ने अपने एसिड को मजबूती से थामे रखा।

शोधकर्ताओं ने स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके तरल का भी अवलोकन किया, जो एक ऐसा उपकरण है जो मापता है कि समाधान विभिन्न रंगों में कितना प्रकाश अवशोषित करता है। उन्होंने पाया कि आयरन युक्त तरल ने निकट-पराबैंगनी (नियर-अल्ट्रावॉयलेट) रेंज में एक निरंतर चमक बनाए रखी, जो मानव आँख के लिए अदृश्य है लेकिन मशीनों द्वारा पता लगाने योग्य है। यह ऑप्टिकल सिग्नल उपचार जारी रहने के दौरान भी मजबूत बना रहा, जिससे पता चलता है कि आयरन और एसिड एक स्थिर साझेदारी, या 'कॉम्प्लेक्स' बना रहे थे, जिसे तोड़ना प्लाज्मा के लिए कठिन था। इसके विपरीत, अन्य बैचों ने एसिड गायब होने के साथ ही इस प्रकाश-अवशोषण संकेत को भी खो दिया। आयरन के साथ क्या हो रहा है, इसे समझने के लिए वैज्ञानिकों ने तरल के छोटे नमूनों में फेरोजिन (ferrozine) नामक एक विशेष डाई मिलाई। यह डाई आयरन के विशिष्ट रासायनिक अवस्था से जुड़ने पर बैंगनी रंग की हो जाती है। नमूने गहरे बैंगनी रंग के हो गए, जो यह दर्शाता है कि आयरन अपनी रासायनिक अवस्था बदल रहा था, और उपचार के दौरान विभिन्न अवस्थाओं के बीच बदल रहा था। इससे पता चलता है कि आयरन केवल वहाँ बैठा नहीं था; वह रासायनिक प्रतिक्रियाओं के एक चक्र में सक्रिय रूप से भाग ले रहा था जो शायद एसिड को नष्ट होने से बचाने में मदद कर रहा था।

अध्ययन बताता है कि आयरन की उपस्थिति एक अनूठा रासायनिक वातावरण बनाती है जहाँ एसिड प्लाज्मा की सफाई शक्ति से सुरक्षित रहता है। संभवतः आयरन एसिड के अणुओं के साथ एक गहरा बंधन बनाता है, जिससे उन्हें तोड़ना कठिन हो जाता है। इसके अलावा, आयरन उन प्रतिक्रियाशील रसायनों को भी खा सकता है जिन्हें प्लाज्मा सफाई करने के लिए उत्पन्न करता है, जिससे प्रभावी रूप से प्रक्रिया के विरुद्ध संघर्ष होता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि आयरन समाधान बनाने के लिए उपयोग किए गए नमक के एक घटक, क्लोराइड की मात्रा, अन्य बैचों की तुलना में कम थी, लेकिन प्राथमिक कारक स्वयं आयरन ही प्रतीत हुआ। जबकि कोबाल्ट वाले बैचों में तेजी से सफाई हुई, आयरन-ओनली बैच ने दिखाया कि विशिष्ट प्रकार की धातु अत्यंत महत्वपूर्ण होती है। टीम ने निष्कर्ष निकाला कि जब परमाणु कचरे पर प्लाज्मा उपचार की प्रभावशीलता का आकलन किया जाता है, तो हम केवल एसिड के स्तर को नहीं देख सकते; हमें मौजूद विशिष्ट धातुओं पर भी ध्यान देना चाहिए और उन शेष ऑप्टिकल संकेतों पर नज़र रखनी चाहिए जो छिपी हुई रासायनिक अंतःक्रियाओं का संकेत देते हैं।

यह कार्य परमाणु कचरे की सफाई में एक महत्वपूर्ण सूक्ष्मता को उजागर करता है। केवल एक शक्तिशाली उपचार लागू करना और यह मान लेना पर्याप्त नहीं है कि यह हर प्रकार के तरल पर एक ही तरह से काम करेगा। कचरे की रासायनिक संरचना, विशेष रूप से आयरन की उपस्थिति, परिणाम को मौलिक रूप से बदल सकती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि प्लाज्मा अधिकांश परिदृश्यों में ऑक्सालिक एसिड को नष्ट करने में अत्यधिक प्रभावी था, आयरन-समृद्ध समाधान ने इस प्रक्रिया का विरोध किया, एक घंटे के उपचार के बाद भी एसिड का एक बड़ा हिस्सा बरकरार रखा। इसका मतलब यह नहीं है कि प्लाज्मा पूरी तरह से विफल रहा, बल्कि यह कि आयरन ने एक ऐसी बाधा उत्पन्न की जिसने प्रतिक्रिया को काफी धीमा कर दिया। यह अध्ययन एक अनुस्मारक के रूप में कार्य करता है कि जटिल रासायनिक मिश्रणों में, एक घटक का व्यवहार पूरे सफाई प्रयास की सफलता को निर्धारित कर सकता है। भविष्य के डीकंटामिनेशन (विसंदूषण) प्रोजेक्ट्स के लिए, इसका अर्थ यह है कि इंजीनियरों को अपनी रणनीतियों को बदलने या अतिरिक्त कदम जोड़ने की आवश्यकता हो सकती है यदि आयरन अपशिष्ट प्रवाह का एक प्रमुख हिस्सा है, ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि पानी को आगे संसाधित करने से पहले एसिड को पूरी तरह से निष्प्रभावी कर दिया गया है।