Σύνθεση, χαρακτηρισμός και μελέτη προσροφητικών υλικών για την απομάκρυνση ραδιενεργών και τοξικών ρύπων από υγρά διαλύματα

Abstract

The removal of Cr-, I-, U-, Re- and B-anionic species from aqueous solutions by twoepichlorhydrin - polyethylenimine resins was investigated using a batch technique. Theresins were previously characterized by SEM/EDS, XRD, and BET. Their moisture, grain sizeand chemical stability in solutions of different pH were also determined.The chromium removal from aqueous solutions was studied both in absence and inthe presence of background electrolytes (NaNO3 and Na2SO4, ionic strength 0.1M). Theexperiments in absence of background electrolytes were performed using chromatessolutions (initial concentration: 300-5000 mg/L) of initial pH (pHinit) 2 to 7, whereas those inthe presence at pHinit 3 and 6. The amount of Cr removed from the solutions was determinedby spectrophotometry using 1,5-diphenylcarbazide as complex-forming agent. Theenvironmental compatibility of the Cr-loaded resins was studied by means of the EPA-TCLPmethod. The surface and the interior of the resin grains were examined after the sorptionexperiments by XPS and SEM/EDS respectively. Regeneration attempts of the material werealso performed.The iodine removal was studied both in absence and in the presence of backgroundelectrolytes (NaCl and Na2SO4 ,ionic strength 0.1 M) at pHinit 3 and 7 using 131I-labeledsolutions (initial concentration: 300 to 5000 mg/L). The iodine determination in the solutionsafter the end of the sorption tests was performed by gamma-ray spectroscopy. The resinsurface and interior were examined by SEM/EDS.The removal of uranium anionic species from aqueous solutions (initialconcentration: 10 to 2000 mg/L) was studied in the absence of background electrolytes atpHinit 6-10. The amount of sorbed U was determined spectrophotometrically using theArsenazo III method. The kinetics of the uranium removal was also studied. The surface andinterior of the resin grains were examined by SEM/EDS.The rhenium (Re) removal from aqueous solutions (initial concentration: 40 to 5000mg/L) was studied in the absence of background electrolytes at pHinit 3 and 7. The amount ofsorbed Re was determined spectrophotometrically using hydrochloric hydroxylamine. Thesurface and interior of the resin grains were studied with SEM/EDS. An attempt toregenerate Re-loaded resins was also made.The boron (B) removal from aqueous solutions (initial concentration: 10 to 5000mg/L) was investigated in absence of background electrolytes at pHinit 8 to 10. The amountof boron sorbed was determined spectrophotometrically using carmine.The results demonstrated that both resins can very efficiently remove theinvestigated elements from aqueous solutions. In the cases of Cr, I and Re a diffusion in thebulk of the resin grains was observed, whereas U was mainly concentrated on their externalsurface. The removal of I, Re and B seems to be due to physical sorption, that of U to surfaceprecipitation and that of Cr to chemisorption. In the case of chromium, reduction of Cr6+ toCr3+ was also observed.

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η δέσμευση ανιοντικών ειδών του Cr, I, U, Reκαι B από υδατικά τους διαλύματα από δύο ρητίνες επιχλωρυδρίνης-πολυαιθυλενιμίνης. Οιρητίνες, που παρασκευάσθηκαν στο Εργαστήριο Ανόργανης Χημείας του ΑΠΘ,χαρακτηρίστηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία σαρωτικής δέσμης (SEM/EDS), περίθλασηακτίνων-Χ (XRD), θερμική ανάλυση (TG-DTG) και ΒΕΤ. Προσδιορίστηκε επίσης η υγρασία καιη κοκκομετρική σύσταση των ρητινών και η συμπεριφορά τους σε διαλύματα διαφόρου pH.Οι μετρήσεις δέσμευσης έγιναν χρησιμοποιώντας μία στατική τεχνική (batch experiments).Η δέσμευση του χρωμίου μελετήθηκε απουσία και παρουσία ανταγωνιστικώνιόντων. Απουσία ανταγωνιστικών ιόντων, η δέσμευση μελετήθηκε σε pHinit (αρχικό pH) 2-7,ενώ παρουσία σε pHinit 3 και 6 χρησιμοποιώντας διαλύματα NaNO3 και Na2SO4 σταθερήςιονικής ισχύος 0,1 Μ. Η αρχική συγκέντρωση του χρωμίου στα διαλύματα κυμάνθηκε από300 έως 5000 mg/L. Μετά τη δέσμευση του χρωμίου ακολούθησε ο φασματοφωτομετρικόςπροσδιορισμός του με 1,5 διφαίνυλοκαρβαζίδιο, η μελέτη της περιβαλλοντικήςσυμβατότητας των ρητινών με τη μέθοδο TCLP (Toxicity Characteristic Leaching Procedure),εξέταση της επιφάνειας και του εσωτερικού τους με SEM/EDS και εξέταση της επιφάνειάςτους με φωτοηλεκτρονική φασματοσκοπία (XPS). Επίσης έγινε προσπάθεια αναγέννησηςτων ρητινών.Η δέσμευση του ιωδίου μελετήθηκε απουσία και παρουσία ανταγωνιστικών ιόντωνσε pHinit 3 και 7. Η αρχική συγκέντρωση του ιωδίου στα διαλύματα κυμάνθηκε από 300 έως5000 mg/L. Η δέσμευση των ιωδιούχων παρουσία ανταγωνιστικών ιόντων μελετήθηκεχρησιμοποιώντας διαλύματα NaCl και Na2SO4 σταθερής ιονικής ισχύος 0,1 M. Οπροσδιορισμός του ιωδίου στα διαλύματα μετά την δέσμευση έγινε με φασματοσκοπίαακτίνων-γ (χρήση διαλυμάτων επισημασμένων με ραδιενεργό ιχνηθέτη 131Ι). Επίσης,πραγματοποιήθηκε εξέταση της επιφάνειας και του εσωτερικού των ρητινών με SEM/EDS.Η δέσμευση του ουρανίου μελετήθηκε απουσία ανταγωνιστικών ιόντων σε pHinit 6-10. Η αρχική συγκέντρωση του ουρανίου στα διαλύματα κυμάνθηκε από 10 έως 2000 mg/L.Ο προσδιορισμός του ουρανίου στα διαλύματα μετά τη δέσμευση έγινε μεφασματοφωτομετρική ανάλυση χρησιμοποιώντας Arsenazo III. Επίσης μελετήθηκε ηκινητική της δέσμευσης του ουρανίου και εξετάστηκε, μετά τα πειράματα δέσμευσης, ηεπιφάνεια και το εσωτερικό των ρητινών με SEM/EDS.Η μελέτη της δέσμευσης του ρηνίου πραγματοποιήθηκε απουσία ανταγωνιστικώνιόντων σε pHinit 3 και 7. Η αρχική συγκέντρωση του ρηνίου στα διαλύματα κυμάνθηκε από40 έως 5000 mg/L. Ο προσδιορισμός του ρηνίου στα διαλύματα μετά την προσρόφησηέγινε φασματοφωτομετρικά με υδροχλωρική υδροξυλαμίνη. Επίσης, πραγματοποιήθηκεεξέταση της επιφάνειας και του εσωτερικού των ρητινών με SEM/EDS και προσπάθειααναγέννησής τους.Η δέσμευση του βορίου μελετήθηκε απουσία ανταγωνιστικών ιόντων σε pHinit 8-10.Η αρχική συγκέντρωση του βορίου στα διαλύματα κυμάνθηκε από 100 έως 5000 mg/L. Οπροσδιορισμός του βορίου στα διαλύματα, μετά τη δέσμευση, έγινε φασματοφωτομετρικάμε καρμίνη.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι δύο ρητίνες απομακρύνουν σημαντικές ποσότητεςτων στοιχείων που εξετάστηκαν. Στην περίπτωση των Cr, I και Re παρατηρείται ομοιόμορφηδιάχυσή τους στο εσωτερικό των ρητινών, ενώ στην περίπτωση του U παρατηρείται συγκέντρωσή του στην επιφάνεια τους και μικρής έκτασης διάχυση στο εσωτερικό. Ηαπομάκρυνση των I, Re και Β φαίνεται να οφείλεται σε φυσική ρόφηση, του U σε μεγάλοβαθμό σε επιφανειακή κατακρήμνιση και του Cr σε χημειορρόφηση με αναγωγή του Cr6+ σεCr3+.