Applicazioni per il trattamento dei rifiuti radioattivi

Lo ione ammonio si forma quando il pH è inferiore a 9 (preferibilmente inferiore a 8). L'ammonio è un catione monovalente. Le resine cationiche come CG8 e CG10 hanno una selettività modesta per lo ione ammonio rispetto al sodio ma una scarsa selettività rispetto agli ioni di durezza come calcio e magnesio. Il SIR-600 ha una selettività molto elevata per l'ammonio ma una capacità piuttosto bassa e richiede una dose di sale piuttosto elevata (in genere almeno 30 libbre di NaCl per piedi cubi).

L'antimonio è un elemento chimico con simbolo Sb (dal latino: stibium) e numero atomico 51. Metalloide grigio brillante, si trova in natura principalmente come solfuro di stibnite (Sb2S3). I composti di antimonio sono noti fin dall'antichità e venivano polverizzati per uso medicinale e cosmetico, spesso noti con il nome arabo di kohl. Era noto anche l'antimonio metallico, ma al momento della sua scoperta è stato erroneamente identificato come piombo. In Occidente, fu isolato per la prima volta da Vannoccio Biringuccio e descritto nel 1540.

Da qualche tempo, la Cina è il maggiore produttore di antimonio e dei suoi composti, con la maggior parte della produzione proveniente dalla miniera di Xikuangshan nell'Hunan. I metodi industriali per la raffinazione dell'antimonio sono la tostatura e la riduzione con carbonio o la riduzione diretta della stibnite con ferro.

L'antimonio puro è un metallo morbido e fragile. L'antimonio forma composti simili al suo elemento gemello arsenico e si trova più comunemente nel suo stato di ossidazione +3. Le principali applicazioni dell'antimonio metallico sono una lega con piombo e stagno e le piastre di piombo-antimonio nelle batterie al piombo-acido. Le leghe di piombo e stagno con antimonio hanno proprietà migliorate per saldature, proiettili e cuscinetti a strisciamento. È anche usato come componente nei ritardanti di fiamma e in alcune sintesi chimiche organiche.

Gli ibridi anionici basici forti a base di ferro sono efficaci per rimuovere l'antimonio dalle acque borate presenti nelle centrali nucleari.

Il cesio o cesio è un elemento chimico con simbolo Cs e numero atomico 55. È un metallo alcalino morbido, argenteo e dorato con un punto di fusione di 28,5 °C (83,3 °F), il che lo rende uno dei soli cinque metalli elementari che sono liquidi a temperatura ambiente o in prossimità di essa. Il cesio ha proprietà fisiche e chimiche simili a quelle del rubidio e del potassio. È l'elemento meno elettronegativo.

Ha un solo isotopo stabile, il cesio-133. Il cesio viene estratto principalmente dalla pollucite, mentre i radioisotopi, in particolare il cesio-137, un prodotto di fissione, vengono estratti dai rifiuti prodotti dai reattori nucleari.

Il chimico tedesco Robert Bunsen e il fisico Gustav Kirchhoff scoprirono il cesio nel 1860 con il nuovo metodo della spettroscopia di fiamma. Le prime applicazioni su piccola scala del cesio furono utilizzate come «getter» nei tubi a vuoto e nelle celle fotoelettriche. Nel 1967, basandosi sulla dimostrazione di Einstein che la velocità della luce è la dimensione più costante dell'universo, il Sistema Internazionale di Unità utilizzò due conteggi d'onda specifici provenienti da uno spettro di emissione di cesio-133 per codefinire il secondo e il metro. Da allora, il cesio è stato ampiamente utilizzato in orologi atomici ad alta precisione.

Il cesio metallico è altamente reattivo sia nell'aria che soprattutto nell'acqua, reagendo in modo esplosivo anche a temperature fino a -116 °C (-177 °F). Il cesio forma esclusivamente un catione monovalente. Quasi tutti i sali di cesio sono facilmente solubili in acqua.

SIR-600 ha una selettività estremamente elevata per il cesio. Il cesio viene catturato mediante setacciatura molecolare oltre che in cambio. Possono essere utilizzate anche resine cationiche in forma di idrogeno come CG8-H, ma la loro capacità di rimuovere il cesio è limitata dagli altri ioni in soluzione. In generale, quando si utilizzano resine di tipo SAC per rimuovere il cesio, è necessario rimuovere tutti gli altri cationi insieme al cesio.

Lo iodio radioattivo è un isotopo artificiale con proprietà simili ad altri isotopi dello iodio. Il radioiodio è presente nell'acqua sotto forma di ioduro. Come ione traccia può essere rimosso da vari tipi di resine anioniche basiche forti, favorendo le ammine superiori. L'argento e i mezzi impregnati di argento mostrano una maggiore affinità per gli ioduri.

Il pertecnetato, Tc-99, è un composto tecnico utilizzato in alcune applicazioni farmaceutiche di radioisotopi.

Il radio è un elemento chimico con simbolo Ra e numero atomico 88. È il sesto elemento del gruppo 2 della tavola periodica, noto anche come metalli alcalino-terrosi. Il radio puro è bianco-argenteo, ma si combina facilmente con l'azoto (anziché con l'ossigeno) in caso di esposizione all'aria, formando uno strato superficiale nero di nitruro di radio (Ra3N2). Tutti gli isotopi del radio sono altamente radioattivi, e l'isotopo più stabile è il radio-226, che ha un'emivita di 1600 anni e decade in gas radon (in particolare l'isotopo radon-222). Quando il radio decade, si forma una radiazione ionizzante che può eccitare sostanze chimiche fluorescenti e causare radioluminescenza.

Il radio è il prodotto figlia del decadimento dell'uranio ed è il metallo alcalino terroso più pesante. Fu scoperto sotto forma di cloruro di radio da Marie e Pierre Curie nel 1898. Hanno estratto il composto del radio dall'uraninite e hanno pubblicato la scoperta all'Accademia francese delle scienze cinque giorni dopo. Il radio è stato isolato allo stato metallico da Marie Curie e André-Louis Debierne mediante elettrolisi del cloruro di radio nel 1911. Ha la proprietà della luminescenza e un tempo veniva utilizzato per far brillare i quadranti degli orologi al buio e per vari prodotti ciarlatani.

Il radio forma un catione bivalente nell'acqua e può essere rimosso dalle resine che addolciscono l'acqua, insieme ad altri ioni di durezza. Ad eccezione del primo ciclo di esaurimento, la perdita di radio si verifica poco dopo la perdita di durezza, pertanto la resina viene utilizzata come un normale ammorbidente con rigenerazione della salamoia a intervalli regolari.

La resina cationica macroporosa altamente reticolata ha prolungato il funzionamento del primo ciclo oltre la rottura della durezza e può essere utilizzata in applicazioni monouso quando la durezza e il TDS non sono troppo elevati. L'RSM-50 contiene solfato di bario depositato nei pori della resina. Il radio viene prima scambiato e poi trasferito al precipitante, consentendo un carico molto più elevato e una maggiore produttività.

I livelli di silice devono essere mantenuti a livelli molto bassi nel ciclo nucleare. La maggior parte dei metodi di rimozione rimuove anche il boro, che viene utilizzato nel sistema come moderatore. Forme speciali di resina borata a scambio ionico rimuoveranno selettivamente la silice in questi ambienti e manterranno il livello di boro desiderato.

Come il cesio, lo stronzio è un radionuclide prodotto dalla fissione che può comparire nelle acque sotterranee colpite.

Lo sviluppo dell'energia nucleare ha lasciato un'eredità di contaminazione delle acque sotterranee in alcune località che include la presenza di alcuni metalli pesanti e cromato.

L'uranio è un elemento chimico con simbolo U e numero atomico 92. È un metallo bianco-argenteo nella serie degli attinidi della tavola periodica. Un atomo di uranio ha 92 protoni e 92 elettroni, di cui 6 sono elettroni di valenza. L'uranio è debolmente radioattivo perché tutti i suoi isotopi sono instabili (con emivite dei sei isotopi naturalmente noti, dall'uranio-233 all'uranio-238, che variano tra 69 anni e 4,5 miliardi di anni). Gli isotopi più comuni nell'uranio naturale sono l'uranio-238 (che ha 146 neutroni e rappresenta oltre il 99%) e l'uranio-235 (che ha 143 neutroni). L'uranio ha il peso atomico più elevato tra gli elementi primordiali. La sua densità è superiore di circa il 70% a quella del piombo e leggermente inferiore a quella dell'oro o del tungsteno. Si trova naturalmente in basse concentrazioni di poche parti per milione nel suolo, nella roccia e nell'acqua e viene estratto commercialmente da minerali contenenti uranio come l'uraninite.

In natura, l'uranio si trova come uranio-238 (99,2739— 99,2752%), uranio-235 (0,7198— 0,702%) e una quantità molto piccola di uranio-234 (0,0050— 0,0059%). Sebbene l'U238 sia quasi stabile, l'U235 è significativamente radioattivo e anche fissile (può supportare reazioni a catena). L'uranio decade lentamente emettendo una particella alfa. L'emivita dell'uranio-238 è di circa 4,47 miliardi di anni e quella dell'uranio-235 è di 704 milioni di anni, il che li rende utili per datare l'età della Terra.

L'uranio nelle acque potabili viene facilmente rimosso da una varietà di resine anioniche basiche forti. Sebbene le resine anioniche siano considerate la migliore tecnologia disponibile per i piccoli sistemi, il loro utilizzo è complicato dalle limitazioni allo smaltimento dei rifiuti che contengono residui di uranio.

L'uranio può essere rimosso dai rifiuti minerari acidi mediante una varietà di resine cationiche acide forti.