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

Sintesi Tecnica: Rimozione di Ferro e Alluminio dall'Acqua della Vasca di Stoccaggio del Reattore mediante Membrane Polimeriche

Definizione del Problema
Il Centro di Ricerca Řež gestisce il reattore di ricerca ad acqua leggera LVR-15, che utilizza la Vasca di Stoccaggio B per lo stoccaggio a lungo termine di materiali irradiati, principalmente alluminio e acciaio. La corrosione di questi materiali stoccati ha portato a concentrazioni costantemente elevate di ferro (Fe) e alluminio (Al) nell'acqua della vasca. I dati di monitoraggio da gennaio a settembre 2025 hanno indicato che, sebbene la conducibilità specifica e i livelli di cloruri rispettassero i limiti operativi, le concentrazioni di ferro hanno raggiunto una media di 0,99 mg/L e quelle di alluminio hanno raggiunto i 5050 µg/L, superando il limite operativo di 1 mg/L per il ferro. Il trattamento convenzionale con resina a scambio ionico a letto misto (Amberlite MB20) si è rivelato inefficace, probabilmente perché i metalli esistono come specie ossi-idrossidi scarsamente solubili o colloidi piuttosto che come ioni disciolti. Questo studio investiga l'efficacia della filtrazione a membrana a pressione utilizzando membrane polimeriche per rimuovere tali contaminanti sotto diverse condizioni di pH e con livelli di ferro artificialmente aumentati per valutare la formazione di colloidi.

Metodologia
Lo studio ha impiegato tecniche di microfiltrazione e ultrafiltrazione a pressione utilizzando due tipi di membrane polimeriche idrofile: Ester di Cellulosa Mista (MCE) e Nylon. Le membrane testate presentavano dimensioni nominali dei pori compresi da 3,0 µm fino a 0,22 µm.

Gli esperimenti sono stati condotti su campioni d'acqua prelevati dalla Vasca di Stoccaggio B in quattro condizioni distinte:

1. pH Nativo: Filtrazione al pH naturale della vasca di 5,77.
2. pH Acido: Campioni aggiustati a pH 2,70 mediante acido cloridrico.
3. pH Alcalino: Campioni aggiustati a pH 11,28 mediante idrossido di sodio.
4. Aggiunta di Ferro: Campioni arricchiti con 5 mg/L di ferro per promuovere la formazione di colloidi, filtrati a pH 3,67.

La filtrazione è stata eseguita utilizzando un impianto a vuoto standard con campioni da 500 mL. Dopo la filtrazione, il filtrato è stato analizzato per ferro (spettrofotometricamente), alluminio (spettroscopia di assorbimento atomico), pH, conducibilità e torbidità. I solidi trattenuti sulle membrane sono stati caratterizzati mediante spettroscopia Raman e FTIR. Inoltre, sono stati costruiti diagrammi di speciazione utilizzando PHREEQC per prevedere le specie chimiche dominanti di ferro e alluminio a diversi livelli di pH, e l'assorbanza spettrofotometrica è stata misurata nell'intervallo di lunghezze d'onda 190–290 nm.

Risultati Chiave

• pH Nativo (5,77): La filtrazione è stata più efficace al pH naturale. Per il ferro, le membrane MCE hanno ottenuto una rimozione efficace con dimensioni dei pori di 0,8 µm, mentre le membrane in Nylon hanno ottenuto una ritenzione completa (al di sotto del limite di rilevamento di 0,05 mg/L) a 0,45 µm. Anche la rimozione dell'alluminio è stata sostanziale, con le membrane MCE che hanno mostrato una riduzione significativa a 1,2 µm, suggerendo la presenza di forme particolate o colloidali.
• pH Acido (2,70): L'efficienza di filtrazione è diminuita marcatamente per entrambi i metalli. Né le membrane MCE né quelle in Nylon hanno ottenuto una rimozione completa, poiché i metalli esistevano prevalentemente come cationi solubili (Fe²⁺ e Al³⁺) che passavano attraverso le membrane. Persino la dimensione dei pori più piccola (0,22 µm) ha ridotto il ferro solo del 33,9% e l'alluminio del 22% rispetto alle concentrazioni iniziali. L'analisi spettroscopica dei solidi trattenuti a questo pH ha confermato la presenza di fasi FeOOH insieme a piccole quantità di Fe₂O₃ e Fe₃O₄.
• pH Alcalino (11,28): La rimozione del ferro è migliorata significativamente con dimensioni dei pori più piccole (0,22 µm), riducendo le concentrazioni al 4,49% del valore iniziale, probabilmente a causa della ritenzione delle fasi di idrossido precipitate. Al contrario, la rimozione dell'alluminio è rimasta inefficace; le concentrazioni sono rimaste vicine ai livelli iniziali, indicando che l'alluminio esisteva come complessi alluminato solubili (Al(OH)₄⁻) che non venivano trattenuti dalla microfiltrazione.
• Aggiunta di Ferro: L'aggiunta di 5 mg/L di ferro non ha migliorato significativamente la rimozione del ferro. Tuttavia, ha portato a un netto miglioramento nella rimozione dell'alluminio, con le membrane da 0,22 µm che hanno ridotto l'alluminio a meno dell'11,4% del suo valore iniziale. Ciò suggerisce un meccanismo di co-precipitazione o co-agglomerazione in cui il ferro aggiunto ha facilitato la formazione di particelle miste Fe–Al più grandi.

Significatività e Conclusioni
Lo studio conclude che l'efficienza della filtrazione a membrana per la rimozione di ferro e alluminio dall'acqua della vasca di stoccaggio del reattore dipende fortemente dalla speciazione chimica guidata dal pH. Al pH naturale della vasca, una parte significativa di entrambi i metalli esiste in forme particolate o colloidali che possono essere rimosse efficacemente dalle membrane di microfiltrazione con dimensioni dei pori inferiori a 0,8 µm. Al contrario, le condizioni acide rendono i metalli solubili e difficili da filtrare, mentre le condizioni alcaline precipitano selettivamente il ferro ma lasciano l'alluminio in uno stato solubile.

Gli autori sottolineano che, sebbene i diagrammi di speciazione forniscano una base per comprendere il comportamento dei metalli, essi sono insufficienti per spiegare completamente le prestazioni di filtrazione. Le efficienze di rimozione osservate sono influenzate anche dalle interazioni tra ioni disciolti, particelle colloidali e superfici delle membrane. Il risultato secondo cui l'aggiunta di ferro migliora la rimozione dell'alluminio tramite co-precipitazione offre un potenziale meccanismo per ottimizzare le strategie di trattamento, sebbene lo studio rilevi che la sola filtrazione non può risolvere completamente il problema in tutte le condizioni chimiche senza considerare la specifica speciazione dei contaminanti.