Estudio de la interacción competitiva del Zinc y el Cobalto en la superficie de la Magnetita

Abstract

La disminución de los campos de radiación externos al núcleo constituye una herramienta fundamental para el correcto mantenimiento de una central nuclear de potencia y consecuentemente, disminuye la dosis que recibe el personal. La inyección de Zinc en el sistema primario-moderador ha demostrado ser una estrategia muy valiosa para el control y reducción de estos campos en reactores nucleares como Atucha I y Atucha II. Si bien el efecto esta tecnológicamente probado con resultados positivos en algunas centrales, el fenómeno básico subyacente no ha sido suficientemente estudiado. Para ello, se estudió la adsorción individual de Co2+y Zn2+sobre magnetita a temperatura ambiente y su dependencia con el pH: si es inferior al pHo del óxido (pHo ≈ 6,5), no se produce la adsorción de los cationes metálicos Co2+ y Zn2+ debido a la repulsión coulómbica con los sitios protonados, -FeOH2+. Por encima del pHo, los sitios desprotonados –FeO- adsorben las especies Co2+ y Co(OH)+ o Zn2+ y Zn(OH)+. Se midieron las isotermas a pH 7,0, 7,5 y 7,9 para el Co2+ y a pH 6,20, 6,85 y 7,00 para el Zn2+, observándose un importante aumento en la adsorción con el incremento de este. La fuerte dependencia con el pH sugiere que la adsorción de ambos elementos Co2 y Zn2+ sobre magnetita es de tipo química, con una parcial contribución electrostática, presentando el mismo mecanismo de adsorción. Los datos experimentales fueron ajustados por el modelo de Langmuir y se calcularon los parámetros fisicoquímicos característicos de este modelo: la constante b relacionada con la energía de unión adsorbente-adsorbato y la máxima capacidad de adsorción por gramo del óxido adsorbente, Csmax. De la comparación de estos valores, se observa que el Zn2+ presenta una mayor afinidad por los grupos oxhidrilos superficiales de la magnetita. Por otra parte, para la adsorción de ambos cationes se calculó la constante de equilibrio termodinámica Ko y la variación de la energía libre de Gibbs ΔGo, la cual se relaciona con la espontaneidad del proceso de interacción superficial. De la comparación de los valores obtenidos de ΔGo y Ko de ambos elementos metálicos a pH 7,0, se concluye que el proceso de adsorción es sólo moderadamente más favorable para el Zn2+. Se midieron las cinéticas de desorción de una cantidad constante de Co2+ previamente adsorbido en presencia de concentraciones crecientes de Zn2+ en solución a pH 7,0; donde éstas inducen una desorción progresivamente mayor, demostrando una leve capacidad de desorción. Se estudiaron las cinéticas de adsorción competitiva del Co2+ y del Zn2+ sobre magnetita a temperatura ambiente y pH 7,0; observándose una disminución de la adsorción del Co2+ con el incremento de la concentración de Zn2+ en solución. El zinc demostró un efecto bloqueante de magnitud moderada para la adsorción de nuevo Co2+ en la superficie de la magnetita. Los resultados obtenidos durante los experimentos de adsorción competitiva, así como los obtenidos durante la desorción de Co2+, fueron modelados por una cinética de segundo orden, característica de una adsorción química. Esto último se corresponde con los resultados obtenidos durante las isotermas de adsorción individual. Se puede concluir en forma general, que la eficiencia del Zn2+ para disminuir los campos de radiación externos al núcleo en los reactores nucleares, es decir, la capacidad de bloquear la adsorción de nuevo Co2+ y la desorción del Co2+ previamente adsorbido sobre la superficie de los productos de corrosión, se debe a su concentración empleada en exceso respecto a la del Co2+ soluble, que a una muy diferente afinidad de ambos elementos hacia la superficie de los óxidos de hierro.