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

Quando uma instalação nuclear opera, ou quando uma é desativada, ela produz água contaminada com elementos radioativos. Entre estes, o césio é uma preocupação particular. Ele se dissolve facilmente na água, move-se rapidamente pelo ambiente e permanece radioativo por décadas. Removê-lo é vital para a segurança, mas torna-se um quebra-cabeça difícil quando essa água é água do mar. A água do mar é repleta de sais comuns como sódio, potássio, cálcio e magnésio. Esses íons inofensivos expulsam o césio radioativo, tornando difícil para os materiais de limpeza padrão agarrarem o elemento perigoso. Cientistas sabem há muito tempo que certos minerais podem agir como ímãs para o césio, puxando-o da água enquanto ignoram o sal. No entanto, transformar esses pós minerais finos em algo prático para um rio corrente ou uma estação de tratamento é complicado; o pó é fino demais para ser filtrado facilmente, e o sal na água frequentemente enfraquece sua aderência.

Pesquisadores de Taiwan partiram para resolver este problema específico testando dois materiais diferentes à base de minerais projetados para funcionar dentro de um ambiente de água do mar. Eles pegaram um mineral altamente seletivo chamado fosfomolibdato de amônio e um mineral naturalmente ocorrente conhecido como zeolita, e então envolveram cada um em uma casca macia, semelhante a uma gelatina, feita de extrato de algas marinhas. Esta casca, chamada microcápsula de alginato, age como uma rede protetora. Ela mantém o pó mineral no lugar para que possa ser despejado em uma coluna e lavado com água sem ser levado pela correnteza, enquanto ainda permite que a água flua através para tocar o mineral dentro. A equipe queria ver qual desses dois minerais envoltos seria melhor em capturar o césio de uma água do mar simulada, e se poderiam fazer isso rápido o suficiente para serem úteis em um sistema de tratamento do mundo real.

O estudo começou criando essas pequenas cápsulas. Os pesquisadores misturaram os pós minerais com uma solução líquida de algas marinhas e deixaram a mistura cair em um banho de cálcio. O cálcio atuou como uma cola, transformando instantaneamente as gotas em contas firmes e arredondadas que aprisionaram os minerais em seu interior. Eles fizeram dois lotes: um preenchido com o fosfomolibdato de amônio e outro com a zeolita natural. Para testar, despejaram água do mar artificial, misturada com uma pequena quantidade de césio, sobre as contas. Eles mediram quanto césio as contas podiam conter e quão bem elas o mantinham fora da água. Os resultados mostraram uma diferença clara entre os dois. As contas contendo fosfomolibdato de amônio provaram ser o capturador superior. Elas seguraram o césio com muito mais força e em maiores quantidades do que as contas de zeolita. Especificamente, as contas de fosfomolibdato de amônio capturaram cerca de 0,102 milimol de césio por grama de material, enquanto as contas de zeolita capturaram cerca de 0,078 milimol por grama. A diferença foi ainda mais marcante na força com que seguravam o césio; as contas de fosfomolibdato de amônio mostraram um coeficiente de distribuição, uma medida de quão eficazmente um material puxa uma substância da água, que era aproximadamente sete vezes maior do que o das contas de zeolita.

Para ver se esses materiais poderiam funcionar em um fluxo contínuo, semelhante ao modo como opera uma estação de tratamento de água, os pesquisadores colocaram as contas em uma coluna e bombearam a água do mar contaminada através delas em altas velocidades. Eles testaram taxas de fluxo de até 50 mililitros por minuto. Mesmo nesse ritmo rápido, as contas de fosfomolibdato de amônio removeram 99 por cento do césio. Quando a velocidade do fluxo aumentou ligeiramente, a eficiência caiu, mas permaneceu acima de 90 por cento, provando que o material poderia lidar com a pressão de um sistema de tratamento real sem perder sua eficácia. As contas de zeolita também tiveram um bom desempenho, removendo mais de 90 por cento do césio sob condições semelhantes, mas consistiram em ficar atrás da fosfomolibdato de amônio tanto em capacidade quanto em força de captura.

A equipe também observou de perto o que aconteceu com as contas depois que realizaram seu trabalho. Usando microscópios poderosos e scanners químicos, eles examinaram a superfície das contas antes e depois da exposição ao césio. Eles descobriram que as contas permaneceram fisicamente estáveis; sua estrutura interna não colapsou e sua área de superfície, que é crucial para capturar contaminantes, permaneceu quase exatamente a mesma. Os scans confirmaram que o césio de fato se ligou à superfície das contas. No entanto, os scans também revelaram que a presença de todos os outros sais na água do mar tornou mais difícil para o césio aparecer na superfície em comparação com testes feitos em água pura. O ambiente salino reduziu a quantidade de césio detectada na superfície em cerca de metade para as contas de zeolita e em cerca de 45 por cento para as de fosfomolibdato de amônio. Isso confirmou que, embora a água do mar tenha tornado o trabalho mais difícil, as contas de fosfomolibdato de amônio ainda eram robustas o suficiente para superar a competição dos íons de sal.

Em última análise, a pesquisa demonstra que envolver esses minerais específicos em uma casca à base de algas marinhas cria uma ferramenta durável e eficaz para limpar o césio radioativo de água salgada. As contas de fosfomolibdato de amônio emergiram como o candidato mais forte, oferecendo maior capacidade e melhor retenção do elemento radioativo mesmo na presença de altas concentrações de sal. O estudo sugere que esses materiais compostos estão prontos para desenvolvimento adicional como um método prático para tratar águas residuais nucleares, proporcionando uma maneira de separar a radiação perigosa do oceano sem que os materiais se decomponham ou sejam lavados pela correnteza.