Remoción y encapsulación de de uranio presente en agua empleando nanopartículas de hierro cerovalente y pasivación superficial con cromo

Abstract

En esta Tesis se estudió la caracterización y el empleo de nanopartículas de hierro cerovalente (nZVI) en la remoción U(VI) en sistemas acuosos. El empleo de nZVI es un tema en estudio desde hace más de 20 años, con antecedentes exitosos en la remoción de metales y contaminantes orgánicos, tanto a escala piloto como industrial. Si bien esta tecnología se destaca por su versatilidad, aún requiere de estudios detallados para optimizar los procesos y expandir su aplicación. La caracterización de las nZVI, por su parte, es imprescindible para comprender la estructura y composición del material y las transformaciones que ocurren al exponerse al agua y al aire, contemplando su efecto en la reactividad. Esto ayudaría a entender su evolución en el ambiente, considerando los efectos para minimizar los potenciales riesgos toxicológicos. En particular, la remoción de U(VI) es relevante en nuestro país dada la importancia de este elemento en el ciclo del combustible nuclear, especialmente con miras a una ampliación en la producción de energía nuclear. En primer lugar, se estudiaron las transformaciones de nZVI comerciales debidas a la oxidación por el contacto con el agua y el aire. En la práctica, este proceso se denomina envejecimiento y ocurre durante la activación de las nZVI, que se realiza antes de su uso en remociones. Se analizaron tres muestras: (1) polvo de nZVI, (2) suspensión de nZVI sin activar y (3) suspensión de nZVI activada durante 48 h. Se caracterizaron la estructura y la composición de cada etapa, para lo que se empleó un conjunto de técnicas complementarias: determinación del contenido de Fe(0) por desplazamiento de H2, difracción de rayos X (DRX), espectroscopía Mössbauer, espectroscopía Raman, microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). A partir de los resultados, se observó que el contenido de Fe(0) disminuyó desde la muetsra (1) hasta la (3), encontrando en esta última compuestos de hierro con el mayor estado de oxidación: lepidocrocita, magnetita, hematita y, posiblemente, ferrihidrita y goethita. En cuanto a los cambios en la estructura, la muestra (3) se diferenció por la presencia de formaciones aciculares, atribuibles a la lepidocrocita. Estos resultados concuerdan con el proceso de envejecimiento explicado en la literatura. Respecto del estudio de la nZVI para la remoción de uranio, en primer lugar se realizaron experimentos exploratorios para optimizar las condiciones de anoxicidad y la relación molar (RM) Fe:U a emplear, probando RMs en el rango de entre 10 y 400. Para RMs Fe:U mayores a 100, se detectaron dificultades en la separación de las nZVI e interferencia en la medición de U(VI) debido a altas concentraciones de Fe(total) en solución. Luego, se comparó la eficiencia de remoción entre dos arreglos experimentales. El primero consistió en tubos de vidrio dispuestos de manera horizontal sobre un agitador orbital, mientras que el segundo fue un tanque con agitación vertical, de diseño ad hoc. La mayor eficiencia de remoción se obtuvo con el tanque, lo que puede atribuirse a que la agitación vertical ayuda a mantener las nZVI suspendidas y dispersas. La optimización de este diseño es importante para el escalado de esta tecnología. En trabajos anteriores del grupo, se analizó la estructura de las nZVI luego de la remoción de Cr(VI), identificando la formación de una capa superficial de hidroxicromitas de hierro. Posteriormente, se llevaron a cabo experimentos exploratorios para la remoción del U(VI) con agregado de Cr(VI), revelando una baja redisolución del uranio en condiciones óxicas, atribuida a la presencia de la capa pasivante con Cr(VI). Con base en estos resultados, en esta Tesis se evaluó la redisolución a largo plazo del U(VI), durante un período de 14 días, utilizando Rms Fe:U de 25 y 100. Se realizaron experimentos de remoción de U(VI) con y sin el agregado de Cr(VI), divididos en dos etapas de reacción: la primera en medio anóxico y la segunda en medio óxico, con agitación continua de las suspensiones contenidas en recipientes abiertos a la atmósfera. Se observó redisolución de U(VI) en todos los sistemas, excepto en el caso con RM Fe:U = 100 y adición de Cr(VI). La redisolución fue más pronunciada en los casos con RM Fe:U = 25, y se notó una mejora en los experimentos con presencia de Cr(VI). Estos resultados respaldan la hipótesis de que el agregado de Cr(VI) previene parcialmente la redisolución de U(VI) al pasivar la superficie de las nZVI. Además, sugieren la existencia de un efecto del exceso de nZVI que contribuye a disminuir dicho proceso.