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

Technische Samenvatting: Verwijdering van ijzer en aluminium uit reactoropslagbekkenwater met behulp van polymeermembranen

Probleemstelling
Het Onderzoekscentrum Řež exploiteert de LVR-15 lichtwaterreactor, die Opslagbekken B gebruikt voor de langdurige opslag van bestraalde materialen, voornamelijk aluminium en staal. Corrosie van deze opgeslagen materialen heeft geleid tot persistent verhoogde concentraties ijzer (Fe) en aluminium (Al) in het bekkenwater. Monitoringgegevens van januari tot september 2025 gaven aan dat hoewel de specifieke geleidbaarheid en chloridegehalten binnen de operationele limieten vielen, de ijzerconcentraties gemiddeld 0,99 mg/L bedroegen en de aluminiumconcentraties 5050 µg/L bereikten, wat de operationele limiet van 1 mg/L voor ijzer overschrijdt. Conventionele behandeling met een mengbed-ionenuitwisselingshars (Amberlite MB20) bleek ineffectief, waarschijnlijk omdat de metalen voorkomen als slecht oplosbare oxy-hydroxide-soorten of colloïden in plaats van opgeloste ionen. Deze studie onderzoekt de effectiviteit van drukgestuurde membraanfiltratie met behulp van polymeermembranen voor de verwijdering van deze verontreinigingen onder variërende pH-omstandigheden en met kunstmatig verhoogde ijzergehaltes om de vorming van colloïden te beoordelen.

Methodologie
De studie maakte gebruik van drukgestuurde microfiltratie- en ultrafiltratietechnieken met twee soorten hydrofiele polymeermembranen: Mixed Cellulose Ester (MCE) en Nylon. De geteste membranen hadden nominale poriegroottes variërend van 3,0 µm tot 0,22 µm.

Experimenten werden uitgevoerd op watermonsters verzameld uit Opslagbekken B onder vier verschillende condities:

1. Natuurlijke pH: Filtratie bij de natuurlijke pH van het bekken.
2. Zure pH: Monsters aangepast naar pH 2,70 met behulp van zoutzuur.
3. Alkalische pH: Monsters aangepast naar pH 11,28 met behulp van natriumhydroxide.
4. IJzer-toevoeging: Monsters verrijkt met 5 mg/L ijzer om de vorming van colloïden te bevorderen, gefilterd bij pH 3,67.

Filtratie werd uitgevoerd met een standaard vacuümopstelling met monsters van 500 mL. Na filtratie werd het filtraat geanalyseerd op ijzer (spectrofotometrisch), aluminium (atomaire absorptiespectroscopie), pH, geleidbaarheid en troebelheid. De op de membranen achtergebleven vaste stoffen werden gekarakteriseerd met behulp van Raman-spectroscopie en FTIR. Daarnaast werden speciatie-diagrammen opgesteld met PHREEQC om de dominante chemische soorten van ijzer en aluminium bij verschillende pH-niveaus te voorspellen, en de spectrofotometrische absorptie werd gemeten over een golflengtebereik van 190–290 nm.

Belangrijkste Resultaten

• Natuurlijke pH (5,77): Filtratie was het meest effectief bij de natuurlijke pH. Voor ijzer bereikten MCE-membranen effectieve verwijdering bij poriegroottes van 0,8 µm, terwijl Nylon-membranen volledige retentie bereikten (onder de detectielimiet van 0,05 mg/L) bij 0,45 µm. De aluminiumverwijdering was eveneens aanzienlijk, waarbij MCE-membranen een significante reductie lieten zien bij 1,2 µm, wat wijst op de aanwezigheid van deeltjes- of colloïdale vormen.
• Zure pH (2,70): De filtratie-efficiëntie nam aanzienlijk af voor beide metalen. Noch MCE noch Nylon membranen bereikten volledige verwijdering, aangezien de metalen voornamelijk als oplosbare kationen (Fe²⁺ en Al³⁺) aanwezig waren die door de membranen passeerden. Zelfs de kleinste poriegrootte (0,22 µm) reduceerde ijzer slechts tot 33,9% en aluminium tot 22% van de initiële concentraties. Spectroscopische analyse van de achtergebleven vaste stoffen bij deze pH bevestigde de aanwezigheid van FeOOH-fasen naast kleinere hoeveelheden Fe₂O₃ en Fe₃O₄.
• Alkalische pH (11,28): IJzerverwijdering verbeterde aanzienlijk met kleinere poriegroottes (0,22 µm), waarbij de concentraties werden teruggebracht tot 4,49% van de initiële waarde, waarschijnlijk door de retentie van geprecipiteerde hydroxidefasen. Daarentegen bleef de aluminiumverwijdering ineffectief; concentraties bleven nabij de initiële niveaus, wat aangeeft dat aluminium aanwezig was als oplosbare aluminaatcomplexen (Al(OH)₄⁻) die niet door microfiltratie werden tegengehouden.
• IJzer-toevoeging: Het toevoegen van 5 mg/L ijzer leidde niet tot een significante verbetering van de ijzerverwijdering. Het resulteerde echter in een uitgesproken verbetering van de aluminiumverwijdering, waarbij 0,22 µm membranen aluminium reduceerden tot onder de 11,4% van de initiële waarde. Dit suggereert een co-precipitatie- of co-agglomeratiemechanisme waarbij toegevoegd ijzer de vorming van grotere gemengde Fe–Al-deeltjes heeft gefaciliteerd.

Betekenis en Conclusies
De studie concludeert dat de efficiëntie van membraanfiltratie voor de verwijdering van ijzer en aluminium uit het water van het reactoropslagbekken sterk afhankelijk is van de chemische speciatie die wordt gedreven door de pH. Bij de natuurlijke pH van het bekken bestaat een aanzienlijk deel van beide metalen in deeltjes- of colloïdale vormen die effectief kunnen worden verwijderd door microfiltratiemembranen met poriegroottes onder de 0,8 µm. In tegenstelling hiermee maken zure condities de metalen oplosbaar en moeilijk te filteren, terwijl alkalische condities selectief ijzer precipiteren maar aluminium in een oplosbare staat laten.

De auteurs benadrukken dat hoewel speciatie-diagrammen een basislijn bieden voor het begrijpen van het gedrag van metalen, ze onvoldoende zijn om de filtratieprestaties volledig te verklaren. De waargenomen verwijderingsefficiënties worden ook beïnvloed door interacties tussen opgeloste ionen, colloïdale deeltjes en membraanoppervlakken. De bevinding dat ijzer-toevoeging de aluminiumverwijdering bevordert via co-precipitatie biedt een potentieel mechanisme voor het optimaliseren van behandelstrategieën, hoewel de studie opmerkt dat filtratie alleen het probleem onder alle chemische condities niet volledig kan oplossen zonder rekening te houden met de specifieke speciatie van de verontreinigingen.