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

Quando uma usina nuclear é aposentada, seus componentes metálicos devem ser limpos de poeira radioativa e corrosão antes que possam ser reciclados ou descartados com segurança. Para fazer isso, os trabalhadores frequentemente utilizam uma solução de limpeza forte baseada em ácido oxálico, um produto químico comum encontrado em removedores de ferrugem e até em alguns alimentos. Este ácido é excelente em dissolver as teimosas películas de óxido que mantêm as partículas radioativas no lugar. No entanto, uma vez concluída a limpeza, o resíduo líquido fica com um novo problema: está repleto de ácido residual e metais dissolvidos, como ferro e cobalto. Se essa mistura não for tratada adequadamente, o ácido restante pode interferir em etapas futuras de processamento de resíduos. Cientistas têm explorado uma forma de alta tecnologia para destruir esse ácido residual usando plasma subaquático, uma forma de descarga elétrica que cria uma explosão de produtos químicos reativos na água. O objetivo é decompor as moléculas de ácido para que elas não representem mais uma ameaça química, mas a presença de metais dissolvidos pode alterar o quão bem esse processo funciona.

Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Pesquisa de Energia Atômica da Coreia e do Instituto de Pesquisa de Fusão da Coreia estabeleceu o objetivo de verificar como diferentes misturas metálicas afetam esse processo de limpeza. Eles criaram quatro lotes separados de água residual simulada, cada um contendo a mesma quantidade de ácido oxálico, mas com diferentes combinações de ferro e cobalto adicionados a eles. Um lote não tinha metais, um tinha apenas cobalto, um tinha apenas ferro e o último tinha uma mistura de ambos. Eles então submeteram cada lote ao tratamento por plasma subaquático por até sessenta minutos, coletando amostras a cada dez minutos para medir quanto ácido permanecia. Para rastrear o ácido, eles utilizaram um método preciso chamado cromatografia iônica, que separa e conta as moléculas de ácido, e também observaram como o líquido absorvia luz, procurando por mudanças de cor ou clareza que pudessem indicar mudanças químicas.

Os resultados revelaram uma diferença marcante dependendo de quais metais estavam presentes. Nos lotes sem ferro, ou com apenas cobalto, o plasma funcionou de forma rápida e eficiente. Em vinte a trinta minutos, a quantidade de ácido detectável caiu para níveis tão baixos que os instrumentos não conseguiam mais encontrá-lo. O líquido tornou-se quimicamente limpo do ácido alvo em um curto período. No entanto, o lote contendo apenas ferro comportou-se de maneira muito diferente. Após sessenta minutos de tratamento, uma quantidade significativa de ácido permaneceu na água. Os instrumentos ainda detectavam 42,2 miligramas por litro, o que era quase oitenta por cento da quantidade presente no início. Enquanto as outras soluções haviam sido limpas, esta mistura rica em ferro manteve seu ácido de forma obstinada.

Os pesquisadores também observaram o líquido com um espectrômetro, um instrumento que mede quanta luz a solução absorve em diferentes cores. Eles descobriram que o líquido contendo ferro mantinha um brilho persistente na faixa do ultravioleta próximo, um tipo de luz invisível ao olho humano, mas detectável por máquinas. Esse sinal óptico permaneceu forte mesmo conforme o tratamento continuava, sugerindo que o ferro e o ácido estavam formando uma parceria ou complexo estável, que o plasma tinha dificuldade em decompor. Em contraste, os outros lotes perderam esse sinal de absorção de luz à medida que o ácido desaparecia. Para entender o que estava acontecendo com o próprio ferro, os cientistas adicionaram um corante especial chamado ferrozina a pequenas amostras do líquido. Esse corante torna-se roxo quando se liga ao ferro em um estado químico específico. As amostras tornaram-se de um roxo profundo, indicando que o ferro estava mudando sua forma química, alternando entre diferentes estados durante o tratamento. Isso sugere que o ferro não estava apenas parado ali; ele estava participando ativamente de um ciclo de reações químicas que podem ter protegido o ácido de ser destruído.

O estudo sugere que a presença de ferro cria um ambiente químico único onde o ácido é blindado contra o poder de limpeza do plasma. O ferro provavelmente forma uma ligação apertada com as moléculas de ácido, tornando-as mais difíceis de decompor. Além disso, o ferro pode estar consumindo os próprios produtos químicos reativos que o plasma gera para realizar a limpeza, efetivamente lutando contra o processo. Os pesquisadores observaram que a quantidade de cloreto, um componente do sal usado para fazer a solução de ferro, era menor no lote apenas de ferro em comparação aos outros, mas o fator primário parecia ser o próprio ferro. Embora os lotes contendo cobalto tenham sido limpos rapidamente, o lote apenas de ferro mostrou que o tipo específico de metal importa imensamente. A equipe concluiu que, ao avaliar o quão bem um tratamento de plasma funciona em resíduos nucleares, não se pode simplesmente olhar para os níveis de ácido; deve-se também considerar os metais específicos presentes e observar sinais ópticos persistentes que dão pistas sobre interações químicas ocultas.

Este trabalho destaca uma nuance crucial na limpeza de resíduos nucleares. Não basta aplicar um tratamento poderoso e assumir que ele funcionará da mesma forma em todos os tipos de líquidos. A composição química do resíduo, particularmente a presença de ferro, pode alterar fundamentalmente o resultado. Os pesquisadores descobriram que, embora o plasma fosse altamente eficaz na destruição do ácido oxálico na maioria dos cenários, a solução rica em ferro resistiu ao processo, retendo uma grande parte do ácido mesmo após uma hora de tratamento. Isso não significa que o plasma falhou inteiramente, mas sim que o ferro criou uma barreira que retardou significativamente a reação. O estudo serve como um lembrete de que, em misturas químicas complexas, o comportamento de um componente pode ditar o sucesso de todo o esforço de limpeza. Para futuros projetos de descontaminação, isso significa que os engenheiros podem precisar ajustar suas estratégias ou adicionar etapas extras se o ferro for uma parte importante do fluxo de resíduos, garantindo que o ácido seja totalmente neutralizado antes que a água seja processada adiante.