Ein neues Adsorptionsmittel zur Entfernung radioaktiver Cäsiumionen aus nuklearem Abwasser

Im Vergleich zu fossilen Brennstoffen gilt Kernkraft typischerweise als eine sauberere Art der Stromerzeugung. Es werden keine Luftschadstoffe und Treibhausgase wie Kohlendioxid als Nebenprodukte freigesetzt. Es entstehen jedoch radiotoxische Abfälle, die ordnungsgemäß behandelt werden müssen, um schädliche Umwelt- und Gesundheitsschäden zu verhindern.

Eines der wichtigsten Nebenprodukte des Kernspaltungsprozesses zur Stromerzeugung ist 137Cs (ein Isotop von Cäsium), ein radioaktives Element mit einer Halbwertszeit von 30 Jahren, das häufig selektiv aus dem Abwasser von Kernkraftwerken (KKW) entfernt wird Adsorption mittels Ionenaustauschern. Allerdings wird dieser Prozess in saurem Abwasser stark behindert, da überschüssige Protonen (H+) die Adsorptionsfähigkeit beeinträchtigen und die Gitterstruktur des Adsorbens beschädigen.

Kürzlich hat ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Kuk Cho von der Pusan ​​National University, Korea, einen Weg gefunden, diese Widrigkeit in einen Vorteil zu verwandeln. In ihrer bahnbrechenden Arbeit in Zeitschrift für gefährliche Materialien Sie haben Kaliumcalciumthiostannat (KCaSnS) vorgestellt, einen neuen geschichteten Calcium (Ca2+)-dotierten Chalkogenid-Ionenaustauscher.

Es nutzt die typischerweise problematischen H+-Ionen in saurem Abwasser, um den Adsorptionsprozess von Cäsiumionen (Cs+) zu verbessern. Im Wesentlichen werden die Ca2+-Ionen aus KCaSnS durch H+ und Cs+ herausgelöst und machen Platz für Cs+.

„Durch einen transformativen Ansatz wurde das störende Proton durch den Einbau von Ca2+ in die Sn-S-Matrix in ein funktionelles Agens umgewandelt, was zu einer metastabilen Struktur führte. Darüber hinaus ist Ca2+ eine härtere Lewis-Säure als Cs+ und kann daher das Gitter leicht verlassen „Unter sauren Bedingungen ist seine Affinität zur weichen Lewis-Base S2- schwächer. Dies bietet ausreichend Platz für Cs+, nachdem es aus der Gitterstruktur freigesetzt wurde“, erklärt Prof. Cho den Mechanismus, der der Wirkung von KCaSnS zugrunde liegt.

In der Studie nutzte das Team den hydrothermischen Prozess, um das neuartige KCaSnS-Ionenaustauschmaterial zu synthetisieren, das dann zur Untersuchung der Adsorption eines nicht radioaktiven Isotops von Cs+ (um eine Radioaktivitätsexposition zu vermeiden) in verschiedenen Lösungen mit pH-Werten im Bereich von 1 bis 1000 untersuchte 1 bis 13.

Das Team stellte fest, dass bei pH 5,5 (neutraler Zustand) die Cs+-Adsorptionskapazität 370 mg/g betrug, wohingegen bei pH 2 (stark sauer) die Kapazität um 68 % auf 620 mg/g anstieg. Bemerkenswerterweise war dieser Trend völlig entgegengesetzt zu dem, was frühere Studien festgestellt hatten.

Die Forscher führten diese Beobachtung auf die Tatsache zurück, dass unter neutralen Bedingungen das Ca2+ nur aus den Zwischenschichten herausgelöst wurde, was etwa 20 % der gesamten verfügbaren Stellen für Cs+ ausmachte, die von den S2–Ionen in der Sn-S-Matrix adsorbiert werden konnten .

Im Gegensatz dazu wurden unter stark sauren Bedingungen nahezu 100 % der Ca2+-Ionen sowohl aus der Zwischenschicht als auch aus der Rückgratstruktur herausgelöst, wodurch mehr Cs+-Ionen in das Gitter gelangten. Darüber hinaus war in allen Fällen Zwischenschicht-K+ am Ionenaustausch beteiligt.

Diese Ergebnisse belegen, dass KCaSnS ein vielversprechender Kandidat für die Entfernung radioaktiver Ionen aus KKW-Abwasser ist. Die aus dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse könnten neue Wege für die Entwicklung von Hochleistungsadsorbentien für stark saure Umgebungen eröffnen. „Die beeindruckende Adsorptionskapazität von KCaSnS kann dazu beitragen, die mit der Entsorgung radioaktiver Abfälle verbundenen Herausforderungen zu lindern, indem es eine praktische Lösung zur Reduzierung des Volumens radioaktiver Abfälle bietet, die bei der Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente und der Stilllegung von Kernkraftwerken entstehen“, sagt Prof. Cho.