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

Wanneer een kerncentrale wordt buiten dienst gesteld, moeten de metalen onderdelen worden schoongemaakt van radioactief stof en corrosie voordat ze kunnen worden gerecycled of veilig kunnen worden afgevoerd. Om dit te doen, gebruiken arbeiders vaak een sterke reinigingsoplossing op basis van oxaalzuur, een veelvoorkomend chemisch bestanddeel dat zelfs in sommige voedingsmiddelen wordt gevonden. Dit zuur is uitstekend in het oplossen van de hardnekkige oxidefilms die de radioactieve deeltjes op hun plaats houden. Echter, zodra de reiniging is voltooid, blijft het vloeibare afval met een nieuw probleem achter: het zit vol met overgebleven zuur en opgeloste metalen zoals ijzer en kobalt. Als deze mengeling niet goed wordt behandeld, kan het resterende zuur toekomstige afvalverwerkingsstappen verstoren. Wetenschappers verkennen een hoogtechnologische manier om dit overgebleven zuur te vernietigen met behulp van onderwaterplasma, een vorm van elektrische ontlading die een uitbarsting van reactieve chemicaliën in het water creëert. Het doel is om de zuurmoleculen uit elkaar te breken, zodat ze geen chemische bedreiging meer vormen, maar de aanwezigheid van opgeloste metalen kan veranderen hoe goed dit proces werkt.

Een team van onderzoekers van het Korea Atomic Energy Research Institute en het Korea Institute of Fusion Energy zette zich in om te zien hoe verschillende metaalmengsels dit schoonmaakproces beïnvloeden. Ze maakten vier afzonderlijke batches gesimuleerd afvalwater aan, die elk dezelfde hoeveelheid oxaalzuur bevatten, maar met verschillende combinaties van ijzer en kobalt toegevoegd. Eén batch bevatte geen metalen, één bevatte alleen kobalt, één bevatte alleen ijzer, en de laatste bevatte een mengsel van beide. Ze onderwierpen elke batch vervolgens aan de onderwaterplasma-behandeling gedurende maximaal zestig minuten, waarbij ze elke tien minuten monsters namen om te meten hoeveel zuur er nog over was. Om het zuur te volgen, gebruikten ze een nauwkeurige methode genaamd ionchromatografie, die de zuurmoleculen scheidt en telt, en ze observeerden ook hoe de vloeistof licht absorbeerde, zoekend naar veranderingen in kleur of helderheid die op chemische verschuivingen konden wijzen.

De resultaten toonden een opvallend verschil, afhankelijk van welke metalen aanwezig waren. In de batches zonder ijzer, of met alleen kobalt, werkte het plasma snel en efficiënt. Binnen twintig tot dertig minuten was de hoeveelheid detecteerbaar zuur zo laag gedaald dat de instrumenten het niet meer konden vinden. De vloeistof was in een korte tijd chemisch schoon van het doelzuur. De batch die alleen ijzer bevatte, gedroeg zich echter heel anders. Na zestig minuten behandeling was er nog steeds een aanzienlijke hoeveelheid zuur in het water aanwezig. De instrumenten detecteerden nog steeds 42,2 milligram per liter, wat bijna tachtig procent van de hoeveelheid aan het begin was. Terwijl de andere oplossingen waren schoongemaakt, hield deze ijzerrijke mengeling zijn zuur hardnekkig vast.

De onderzoekers bekeken de vloeistof ook met een spectrometer, een instrument dat meet hoeveel licht de oplossing absorbeert bij verschillende kleuren. Ze ontdekten dat de ijzerhoudende vloeistof een aanhoudende gloed behield in het nabij-ultraviolette bereik, een type licht dat onzichtbaar is voor het menselijk oog maar detecteerbaar door machines. Dit optische signaal bleef sterk, zelfs terwijl de behandeling voortduurde, wat suggerefte dat het ijzer en het zuur een stabiele partnerschap, of complex, vormden waar het plasma moeite mee had om het uit elkaar te breken. In tegen tegenstelling hiertoe verloren de andere batches dit lichtabsorberende signaal naarmate het zuur verdween. Om te begrijpen wat er met het ijzer zelf gebeurde, voegden de wetenschappers een speciale kleurstof genaamd ferrozine toe aan kleine monsters van de vloeistof. Deze kleurstof kleurt paars wanneer het bindt aan ijzer in een specifieke chemische staat. De monsters werden dieppaars, wat aangaf dat het ijzer van chemische vorm veranderde, waarbij het tussen verschillende staten schakelde tijdens de behandeling. Dit suggereert dat het ijzer niet alleen maar daar zat, maar actief deelnam aan een cyclus van chemische reacties die het zuur mogelijk beschermden tegen vernietiging.

De studie suggereert dat de aanwezigheid van ijzer een unieke chemische omgeving creëert waar het zuur wordt afgeschermd van de reinigingskracht van het plasma. Het ijzer vormt waarschijnlijk een nauwe band met de zuurmoleculen, waardoor ze moeilijker af te breken zijn. Bovendien kan het ijzer de zeer reactieve chemicaliën consumeren die het plasma genereert om de schoonmaak uit te voeren, waardoor het effectief tegen het proces vecht. De onderzoekers merkten op dat de hoeveelheid chloride, een component van het zout dat werd gebruikt om de ijzeroplossing te maken, lager was in de ijzeren batch vergeleken met de anderen, maar de primaire factor leek het ijzer zelf te zijn. Hoewel de kobaltbevattende batches snel werden schoongemaakt, toonde de ijzeren batch aan dat het specifieke type metaal enorm veel uitmaakt. Het team concludeerde dat men bij het beoordelen van hoe goed een plasmabehandeling werkt op nucleair afval, niet simpelweg naar de zuurgehaltes kan kijken; men moet ook rekening houden met de specifieand aanwezige metalen en letten op aanhoudende optische signalen die wijzen op verborgen chemische interacties.

Dit werk benadrukt een cruciale nuance in het opruimen van nucleair afval. Het is niet voldoende om een krachtige behandeling toe te passen en ervan uit te gaan dat het op elk type vloeistof op dezelfde manier zal werken. De chemische samenstelling van het afval, met name de aanwezigheid van ijzer, kan de uitkomst fundamenteel veranderen. De onderzoekers ontdekten dat hoewel het plasma zeer effectief was bij het vernietigen van oxaalzuur in de meeste scenario's, de ijzerrijke oplossing het proces weerstond en een groot deel van het zuur behield, zelfs na een uur behandeling. Dit betekent niet dat het plasma volledig faalde, maar eerder dat het ijzer een barrière creëerde die het proces aanzienlijk vertraagde. De studie dient als een herinnering dat in complexe chemische mengsels het gedrag van één component het succes van de gehele schoonmaakinspanning kan dicteren. Voor toekomstige decontaminatieprojecten betekent dit dat ingenieurs hun strategieën mogelijk moeten aanpassen of extra stappen moeten toevoegen als ijzer een belangrijk onderdeel van de afvalstroom is, om ervoor te zorgen dat het zuur volledig wordt geneutraliseerd voordat het water verder wordt verwerkt.