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

Quando un impianto di energia nucleare viene ritirato, i suoi componenti metallici devono essere puliti dalla polvere radioattiva e dalla corrosione prima che possano essere riciclati o smaltiti in modo sicuro. Per farlo, i lavoratori utilizzano spesso una soluzione detergente forte a base di acido ossalico, un composto chimico comune che si trova anche nei prodotti per rimuovere la ruggine e persino in alcuni alimenti. Questo acido è eccellente nel dissolvere le ostinate pellicole di ossido che trattengono le particelle radioattive. Tuttavia, una volta terminata la pulizia, il rifiuto liquido presenta un nuovo problema: è pieno di acido residuo e metalli disciolti come ferro e cobalto. Se questa miscela non viene trattata correttamente, l'acido rimanente può interferire con le future fasi di lavorazione dei rifiuti. Gli scienziati stanno esplorando un modo tecnologicamente avanzato per distruggere questo acido residuo utilizzando il plasma subacqueo, una forma di scarica elettrica che crea un'ondata di sostanze chimiche reattive nell'acqua. L'obiettivo è scomporre le molecole di acido in modo che non rappresentino più una minaccia chimica, ma la presenza di metalli disciolti potrebbe cambiare l'efficacia di questo processo.

Un team di ricercatori del Korea Atomic Energy Research Institute e del Korea Institute of Fusion Energy si è posto l'obiettivo di vedere come diverse miscele di metalli influenzino questo processo di pulizia. Hanno creato quattro lotti separati di acqua di scarto simulata, ognuno contenente la stessa quantità di acido ossalico, ma con diverse combinazioni di ferro e cobalto aggiunti ad essi. Un lotto non conteneva metalli, uno conteneva solo cobalto, uno solo ferro e l'ultimo una miscela di entrambi. Hanno poi sottoposto ogni lotto al trattamento con plasma subacqueo per un massimo di sessanta minuti, prelevando campioni ogni dieci minuti per misurare quanto acido rimanesse. Per tracciare l'acido, hanno utilizzato un metodo preciso chiamato cromatografia ionica, che separa e conta le molecole di acido, e hanno anche osservato come il liquido assorbiva la luce, cercando cambiamenti di colore o chiarezza che potessero indicare variazioni chimiche.

I risultati hanno rivelato una differenza sorprendente a seconda di quali metalli fossero presenti. Nei lotti senza ferro, o con solo cobalto, il plasma ha funzionato rapidamente ed efficacemente. Entro venti o trenta minuti, la quantità di acido rilevabile è scesa a livelli così bassi che gli strumenti non riuscivano più a trovarlo. Il liquido è diventato chimicamente pulito dall'acido target in breve tempo. Tuttavia, il lotto contenente solo ferro si è comportato in modo molto diverso. Dopo sessanta minuti di trattamento, una quantità significativa di acido rimaneva nell'acqua. Gli strumenti rilevavano ancora 42,2 milligrammi per litro, ovvero quasi l'ottanta per cento della quantità presente all'inizio. Mentre le altre soluzioni erano state ripulite, questa miscela ricca di ferro tratteneva il suo acido con ostinazione.

I ricercatori hanno anche esaminato il liquido con uno spettrometro, uno strumento che misura quanta luce la soluzione assorbe a diverse lunghezze d'onda. Hanno scoperto che il liquido contenente ferro manteneva un bagliore persistente nell'intervallo del vicino ultravioletto, un tipo di luce invisibile all'occhio umano ma rilevabile dalle macchine. Questo segnale ottico rimaneva forte anche con l'avanzare del trattamento, suggerendo che il ferro e l'acido stessero formando una partnership stabile, o complesso, che il plasma faticava a rompere. Al contrario, gli altri lotti hanno perso questo segnale di assorbimento della luce man mano che l'acido scompariva. Per capire cosa stesse accadendo al ferro stesso, gli scienziati hanno aggiunto un colorante speciale chiamato ferrozina a piccoli campioni del liquido. Questo colorante diventa viola quando si lega al ferro in uno stato chimico specifico. I campioni sono diventati di un viola intenso, indicando che il ferro stava cambiando la sua forma chimica, oscillando tra diversi stati durante il trattamento. Ciò suggerisce che il ferro non era semplicemente lì a prendere posizione, ma partecipava attivamente a un ciclo di reazioni chimiche che potevano aver protetto l'acido dalla distruzione.

Lo studio suggerisce che la presenza di ferro crei un ambiente chimico unico in cui l'acido è schermato dal potere di pulizia del plasma. Il ferro probabilmente forma un legame stretto con le molecole di acido, rendendole più difficili da scomporre. Inoltre, il ferro potrebbe consumare proprio le sostanze chimiche reattive che il plasma genera per la pulizia, combattendo efficacemente contro il processo. I ricercatori hanno notato che la quantità di cloruro, un componente del sale usato per creare la soluzione di ferro, era inferiore nel lotto contenente solo ferro rispetto agli altri, ma il fattore primario sembrava essere il ferro stesso. Mentre i lotti contenenti cobalto si sono puliti rapidamente, il lotto con solo ferro ha dimostrato che il tipo specifico di metallo conta enormemente. Il team ha concluso che, quando si valuta l'efficacia di un trattamento al plasma sui rifiuti nucleari, non si può semplicemente guardare i livelli di acido; bisogna anche considerare i metalli specifici presenti e monitorare i segnali ottici persistenti che suggeriscono interazioni chimiche nascoste.

Questo lavoro evidenzia una sfumatura cruciale nella pulizia dei rifiuti nucleari. Non basta applicare un trattamento potente e assumere che funzioni allo stesso modo su ogni tipo di liquido. La composizione chimica dei rifiuti, in particolare la presenza di ferro, può alterare fondamentalmente il risultato. I ricercatori hanno scoperto che, sebbene il plasma fosse altamente efficace nel distruggere l'acido ossalico nella maggior parte degli scenari, la soluzione ricca di ferro ha resistito al processo, trattenendo una grande parte dell'acido anche dopo un'ora di trattamento. Questo non significa che il plasma sia fallito del tutto, ma piuttosto che il ferro ha creato una barriera che ha rallentato significativamente la reazione. Lo studio serve da promemoria che, in miscele chimiche complesse, il comportamento di un componente può determinare il successo dell'intero sforzo di pulizia. Per i futuri progetti di decontaminazione, ciò significa che gli ingegneri potrebbero dover regolare le loro strategie o aggiungere ulteriori passaggi se il ferro è una parte importante del flusso di rifiuti, garantendo che l'acido sia completamente neutralizzato prima che l'acqua venga ulteriormente processata.