Study on the Removal of Cesium from Simulated Seawater using Ammonium Phosphomolybdate (AMP) and Natural Zeolite Alginate Microcapsules

Wanneer een nucleaire faciliteit in bedrijf is, of wanneer deze wordt ontmanteld, produceert deze water dat besmet is met radioactieve elementen. Onder deze elementen is cesium een bijzondere zorg. Het lost gemakkelijk op in water, beweegt snel door het milieu en blijft decennia lang radioactief. Het verwijderen ervan is essentieel voor de veiligheid, maar het wordt een moeilijke puzzel wanneer dat water zeewater is. Zeewater zit vol met gewone zouten zoals natrium, kalium, calcium en magnesium. Deze onschadelijke ionen verdringen het radioactieve cesium, waardoor het moeilijk wordt voor standaard reinigingsmaterialen om zich aan het gevaarlijke element vast te grijpen. Wetenschappers weten al lang dat bepaalde mineralen als magneten voor cesium kunnen fungeren, waarbij ze het uit het water trekken terwijl ze het zout negeren. Echter, het omzetten van deze fijne mineraalpoeders naar iets praktisch voor een stromende rivier of een waterzuiveringsinstallatie is lastig; het poeder is te fijn om gemakkelijk te filteren en het zout in het water verzwakt vaak de grip ervan.

Onderzoekers in Taiwan zetten zich in om dit specifieke probleem op te lossen door twee verschillende mineraalgebaseerde materialen te testen die ontworpen zijn om in een zeewateromgeving te werken. Ze namen een zeer selectief mineraal genaamd ammoniumfosfomolybdaat en een natuurlijk voorkomend mineraal bekend als zeoliet, en wikkelden elk in een zachte, geleiachtige schil gemaakt van zeewieerextract. Deze schil, een alginaat-microcapsule genoemd, werkt als een beschermend net. Het houdt het fijne mineraalpoeder op zijn plaats, zodat het in een kolom kan worden gegoten en met water kan worden gewassen zonder weg te spoelen, terwijl het water er nog steeds doorheen kan stromen om het mineraal binnenin aan te raken. Het team wilde zien welk van deze twee ingepakte mineralen beter was in het vangen van cesium uit gesimuleerd zeewater, en of ze dit snel genoeg konden doen om nuttig te zijn in een real-world zuiveringssysteem.

De studie begon met het maken van deze minuscule capsules. De onderzoekers mengden de mineraalpoeders met een vloeibare zeewieerextractoplossing en lieten het mengsel in een calciumbad druppelen. Het calcium fungeerde als een lijm, waardoor de druppels direct veranderden in stevige, ronde kraaltjes die de mineralen binnenin gevangen hielden. Ze maakten twee batches: één gevuld met het ammoniumfosfomolybdaat en een andere met de natuurlijke zeoliet. Om dit te testen, goten ze kunstmatig zeewater, gemengd met een kleine hoeveelheid cesium, over de kraaltjes. Ze maten hoeveel cesium de kraaltjes konden vasthouden en hoe goed ze het uit het water hielden. De resultaten toonden een duidelijk verschil tussen de twee. De kraaltjes die ammoniumfosfomolybdaat bevatten, bleken de superieure vanger te zijn. Ze hielden het cesium veel steviger vast en in grotere hoeveelheden dan de zeolietkraaltjes. Specifiek vingen de ammoniumfosfomolybdaat-kraaltjes ongeveer 0,102 millimol cesium per gram materiaal, terwijl de zeolietkraaltjes ongeveer 0,0ages 0,078 millimol per gram vingen. Het verschil was zelfs nog opvallender in de manier waarop ze het cesium vasthielden; de ammoniumfosfomolybdaat-kraaltjes vertoonden een distributiecoëfficiënt, een maatstaf voor hoe effectief een materiaal een stof uit water trekt, die ongeveer zeven keer hoger was dan die van de zeolietkraaltjes.

Om te zien of deze materialen kunnen werken in een continue stroom, vergelijkbaar met hoe een waterzuiveringsinstallatie werkt, vulden de onderzoekers de kraaltjes in een kolom en pompten zij het besmette zeewater er met hoge snelheid doorheen. Ze testten stroomsnelheden tot wel 5an 50 milliliter per minuut. Zelfs bij dit snelle tempo verwijderden de ammoniumfosfomolybdaat-kraaltjes 99 procent van het cesium. Wanneer de stroomsnelheid iets toenam, daalde de efficiëntie, maar bleef deze boven de 90 procent, wat bewees dat het materiaal de druk van een echt zuiveringssysteem kan weerstaan zonder zijn effectiviteit te verliezen. De zeolietkraaltjes presteerden ook goed, waarbij ze meer dan 90 procent van het cesium verwijderden onder soortgelijke omstandigheden, maar ze bleven consequent achter bij het ammoniumfosfomolybdaat in zowel capaciteit als de kracht van de vangst.

Het team keek ook nauwgezet naar wat er met de kraaltjes gebeurde nadat ze hun werk hadden gedaan. Met behulp van krachtige microscopen en chemische scanners onderzochten ze het oppervlak van de kraaltjes vóór en na de blootstelling aan cesium. Ze ontdekten dat de kraaltjes fysiek stabiel bleven; hun interne structuur stortte niet in en hun oppervlakte, die cruciaal is voor het vangen van verontreinigingen, bleef bijna exact hetzelfde. De scans bevestigden dat cesium inderdaad aan het oppervlak van de kraaltjes was gehecht. De scans onthulden echter ook dat de aanwezigheid van al het andere zout in het zeewater het moeilijker maakte voor het cesium om op het oppervlak te verschijnen vergeleken met tests uitgevoerd in puur water. De zoute omgeving verminderde de hoeveelheid gedetecteerd cesium op het oppervlak met ongeveer de helft voor de zeolietkraaltjes en met ongeveer 45 procent voor de ammoniumfosfomolybdaat-kraaltjes. Dit bevestigde dat hoewel het zeewater de taak moeilijker maakte, de ammoniumfosfomolybdaat-kraaltjes robuust genoeg waren om de competitie van de zoutionen te overwinnen.

Uiteindelijk demonstreert het onderzoek dat het wikkelen van deze specifieke mineralen in een zeewieebaserde schil een duurzaam en effectief hulpmiddel creëert voor het schoonmaken van radioactief cesium uit zout water. De ammoniumfosfomolybdaat-kraaltjes kwamen als de sterkere kandidaat uit de bus, met een hogere capaciteit en een betere retentie van het radioactieve element, zelfs in de aanwezigheid van hoge zoutconcentraties. De studie suggereert dat deze composietmaterialen klaar zijn voor verdere ontwikkeling als een praktische methode voor de behandeling van nucleair afvalwater, wat een manier biedt om gevaarlijke straling van de oceaan te scheiden zonder dat de materialen afbreken of wegspoelen.