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

Resumo Técnico: Remoção de Ferro e Alumínio da Água da Piscina de Armazenamento do Reator Utilizando Membranas Poliméricas

Definição do Problema
O Centro de Pesquisa Řež opera o reator de água leve LVR-15, que utiliza a Piscina de Armazenamento B para o armazenamento de longo prazo de materiais irradiados, principalmente alumínio e aço. A corrosão desses materiais armazenados levou a concentrações persistentemente elevadas de ferro (Fe) e alumínio (Al) na água da piscina. Dados de monitoramento de janeiro a setembro de 2025 indicaram que, embora a condutividade específica e os níveis de cloretos estivessem dentro dos limites operacionais, as concentrações de ferro apresentaram uma média de 0,99 mg/L e as de alumínio atingiram 5050 µg/L, excedendo o limite operacional de 1 mg/L para o ferro. O tratamento convencional utilizando resina de troca iônica de leito misto (Amberlite MB20) mostrou-se ineficaz, provavelmente porque os metais existem como espécies de oxi-hidróxidos pouco solúveis ou coloides, em vez de íons dissolvidos. Este estudo investiga a eficácia da filtração por membrana impulsionada por pressão utilizando membranas poliméricas para remover esses contaminantes sob variadas condições de pH e com níveis de ferro artificialmente aumentados para avaliar a formação de coloides.

Metodologia
O estudo empregou técnicas de microfiltração e ultrafiltração impulsionadas por pressão utilizando dois tipos de membranas poliméricas hidrofílicas: Éster de Celulose Mista (MCE) e Nylon. As membranas testadas apresentavam tamanhos nominais de poros variando de 3,0 µm até 0,22 µm.

Os experimentos foram conduzidos em amostras de água coletadas da Piscina de Armazenamento B sob quatro condições distintas:

1. pH Nativo: Filtração no pH natural da piscina de 5,77.
2. pH Ácido: Amostras ajustadas para pH 2,70 utilizando ácido clorídrico.
3. pH Alcalino: Amostras ajustadas para pH 11,28 utilizando hidróxido de sódio.
4. Adição de Ferro: Amostras dopadas com 5 mg/L de ferro para promover a formação de coloides, filtradas em pH 3,67.

A filtração foi realizada utilizando uma configuração de vácuo padrão com amostras de 500 mL. Após a filtração, o filtrado foi analisado quanto ao ferro (espectrofotometricamente), alumínio (espectroscopia de absorção atômica), pH, condutividade e turbidez. Os sólidos retidos nas membranas foram caracterizados por espectroscopia Raman e FTIR. Além disso, diagramas de especiação foram construídos usando PHREEQC para prever as espécies químicas dominantes de ferro e alumínio em diferentes níveis de pH, e a absorbância espectrofotométrica foi medida em uma faixa de comprimento de onda de 190–290 nm.

Principais Resultados

• pH Nativo (5,77): A filtração foi mais eficaz no pH natural. Para o ferro, as membranas MCE alcançaram remoção efetiva em poros de 0,8 µm, enquanto as membranas de Nylon alcançaram retenção completa (abaixo do limite de detecção de 0,05 mg/L) em 0,45 µm. A remoção de alumínio também foi substancial, com as membranas MCE mostrando redução significativa em 1,2 µm, sugerindo a presença de formas particuladas ou coloidais.
• pH Ácido (2,70): A eficiência de filtração diminuiu drasticamente para ambos os metais. Nem as membranas MCE nem as de Nylon alcançaram a remoção completa, pois os metais existiam predominantemente como cátions solúveis (Fe²⁺ e Al³⁺) que passaram pelas membranas. Mesmo o menor tamanho de poro (0,22 µm) reduziu o ferro para 33,9% e o alumínio para 22% das concentrações iniciais. A análise espectroscópica dos sólidos retidos neste pH confirmou a presença de fases FeOOH junto com quantidades menores de Fe₂O₃ e Fe₃O₄.
• pH Alcalino (11,28): A remoção de ferro melhorou significativamente com poros menores (0,22 µm), reduzindo as concentrações para 4,49% do valor inicial, provavelmente devido à retenção de fases de hidróxido precipitadas. Por outro, a remoção de alumínio permaneceu ineficaz; as concentrações mantiveram-se próximas aos níveis iniciais, indicando que o alumínio existia como complexos de aluminato solúveis (Al(OH)₄⁻) que não foram retidos pela microfiltração.
• Adição de Ferro: A adição de 5 mg/L de ferro não melhorou significamente a remoção de ferro. No entanto, resultou em uma melhoria pronunciada na remoção de alumínio, com membranas de 0,22 µm reduzindo o alumínio para abaixo de 11,4% de seu valor inicial. Isso sugere um mecanismo de coprecipitação ou coagregação onde o ferro adicionado facilitou a formação de partículas mistas Fe–Al maiores.

Significância e Conclusões
O estudo conclui que a eficiência da filtração por membrana para a remoção de ferro e alumínio da água da piscina de armazenamento do reator é fortemente dependente da especiação química impulsionada pelo pH. No pH natural da piscina, uma parte significativa de ambos os metais existe em formas particuladas ou coloidais que podem ser efetivamente removidas por membranas de microfiltração com poros menores que 0,8 µm. Em contraste, condições ácidas tornam os metais solúveis e difíceis de filtrar, enquanto condições alcalinas precipitam seletivamente o ferro, mas deixam o alumínio em estado solúvel.

Os autores enfatizam que, embora os diagramas de especiação forneçam uma base para entender o comportamento dos metais, eles são insuficientes para explicar totalmente o desempenho da filtração. As eficiências de remoção observadas também são influenciadas pelas interações entre íons dissolvidos, partículas coloidais e superfícies das membranas. A descoberta de que a adição de ferro potencializa a remoção de alumínio via coprecipitação oferece um potencial mecanismo para otimizar estratégias de tratamento, embora o estudo note que a filtração isoladamente não pode resolver totalmente o problema sob todas as condições químicas sem considerar a especiação específica dos contaminantes.