Aplicación de tratamientos electroquímicos en desechos radiactivos - Investigación y Desarrollo

APLICACIÓN DE TRATAMIENTOS ELECTROQUÍMICOS EN DESECHOS RADIACTIVOS

EL 13 OCTUBRE 2014.

El artículo presenta generalidades sobre desechos radiactivos y su gestión, algunos conceptos sobre electroquímica y la aplicación de tratamientos electroquímicos en desechos radiactivos desarrollados en diversos países.

INTRODUCCIÓN

Las aplicaciones de la radiactividad generan desechos radiactivos, que pueden generar un riesgo al hombre y el medio ambiente, si no se tiene un adecuado manejo y control de ellos. Entre las aplicaciones donde se utiliza material radiactivo está la generación de energía eléctrica, la industria, investigación y medicina.

Estos desechos deben ser aislados y confinados para evitar su dispersión a la biosfera, debido a que estos emiten radiación particularmente energética, que pueden dañar o modificar a nivel molecular los materiales que atraviesan. Los desechos radiactivos pueden ser peligrosos para nuestra salud y nuestro entorno por lo que requieren ser resguardados hasta que los niveles de radiación emitida sean inocuos.

En la actualidad, en diversos países existen materiales contaminados con material radiactivo, para lo cual es necesario desarrollar tecnologías de tratamiento para descontaminarlos, en este artículo se presentan algunos ejemplos de tratamientos electroquímicos, desarrollados en diversos países, aplicados en desechos radiactivos.

1. DESECHOS RADIACTIVOS

EI proceso de desintegración espontánea de un átomo que, al transformarse emite rayos gamma -semejantes a la luz visible, pero más energéticos- o partículas subatómicas, como electrones, neutrones, etc., se conoce como radiactividad.

Los átomos radiactivos (radionúclidos) se desintegran espontáneamente a una velocidad determinada y constante que depende de la naturaleza del átomo, y estas transformaciones pueden durar desde una fracción de segundo hasta miles de millones de años.

Un desecho radiactivo es cualquier material o producto del que no se tenga previsto uso alguno, y que contenga radionúclidos en concentraciones mayores a los señalados por el organismo regulador del país, en el caso de México, la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y Salvaguardias.

Los desechos radiactivos se originan en todas aquellas actividades que se utilizan materiales radiactivos, ya sea como parte de su proceso o por la utilización de tales materiales como constituyente del equipamiento o instrumentos que permiten la realización de una práctica.

Los desechos radiactivos se clasifican (ver Figura 1) en función de su actividad, la concentración de material radiactivo contenido en el desecho, su vida media y su estado fisico-químico.

Figura 1. Clasificación de los desechos radiactivos.

1.1. GESTIÓN DE DESECHOS RADIACTIVOS.

La gestión de los desechos radiactivos consiste en todas las actividades administrativas y técnicas necesarias para la manipulación, tratamiento, acondicionamiento, transporte y almacenamiento de los desechos radiactivos, teniendo en cuenta factores económicos y de seguridad. Una gestión responsable de los desechos radiactivos requiere la aplicación de medidas destinadas a proteger la salud humana y el medio ambiente. Los pasos básicos para una eficaz gestión de los desechos radiactivos van desde la generación del desecho hasta su disposición final, como se muestran en la figura 2.

Figura 2. Gestión de desechos radiactivos.

Un sistema de gestión debe de ser aplicado en todas las etapas de la gestión de los desechos radiactivos, con el fin de garantizar que las actividades, instalaciones, equipos y productos de desechos cumplan con la seguridad desde el punto de vista de la salud, el medio ambiente, la calidad y las exigencias económicas.

1.2 TRATAMIENTO DE DESECHOS RADIOACTIVOS.

El objetivo del tratamiento de los desechos radiactivos es reducir al mínimo el volumen de desechos que requieren gestión. La selección del proceso de tratamiento de los desechos depende de sus propiedades radiológicas y fisicoquímicas, así como de su volumen y cantidad. En la figura 3 se presentan los tratamientos comúnmente aplicados en desechos radiactivos.

Figura 3. Tratamientos de desechos radiactivos.

2. TRATAMIENTO ELECTROQUÍMICO DE LOS DESECHOS RADIACTIVOS

2.1. ELECTRORREMEDIACIÓN

El tratamiento electroquímico, electrorremediación, también conocido como proceso de remediación electrocinético (REC) se clasifica como una tecnología fisicoquímica por la transformación electroquímica o la destrucción de desechos orgánicos e inorgánicos, lo que ofrece muchas ventajas tales como la capacidad para eliminar contaminantes orgánicos e inorgánicos mediante la aplicación directa de corriente eléctrica en el suelo. El REC es fácil de operar y consiste en la instalación de electrodos en el residuo orgánico o inorgánico y la aplicación de un gradiente de potencial bajo o corriente directa a través de ellos. Este proceso es capaz de mineralizar por completo los compuestos orgánicos en dióxido de carbono y agua, sin emisión de materiales tóxicos como las dioxinas. Varios agentes oxidantes de metal, como Ag (II)/Ag (I), Ce (IV)/Ce (III), Co (III)/Co (II), etc., se han probado con este proceso en sistemas a escala piloto y comercial.

Esta tecnología requiere que los desechos en los que se insertan los electrodos estén húmedos, las terminales de los electrodos estén conectadas a una fuente de poder, y se aplica una corriente eléctrica o un gradiente de potencial para generar un campo eléctrico. Durante este proceso, las reacciones de los electrodos tienen lugar en su superficie, la generación de protones (H+) e hidroxilo (-OH) en el ánodo y el cátodo, respectivamente. La concentración de estos iones cerca de los electrodos crea un frente ácido que se mueve de ánodo a cátodo y un frente básico que se mueve del cátodo al ánodo. Estas especies interactúan con la tierra para llevar los contaminantes en la solución fuera de los poros. Se producen algunos fenómenos de transporte en la fase líquida del suelo cuando la corriente directa o el gradiente de potencial se hace pasar a través de los electrodos, tales como la migración de iones (electromigración), electroósmosis y electroforesis. En este caso, el fenómeno de transporte depende de la química del contaminante.

Si el contaminante es inorgánico, como metales, éstos pueden ser eliminados por electromigración, debido a que los compuestos se disocian en iones (Ver figura 4). Si los iones tienen carga negativa (aniones) se moverán hacia el ánodo, y si tienen carga positiva (cationes) se moverán hacia el cátodo, una característica importante que puede determinar dónde se puede recuperar el metal, en forma iónica. Los contaminantes no polares o los contaminantes orgánicos se pueden eliminar por electroósmosis. Y, por último, la electroforesis que es el movimiento de partículas sólidas cargadas, incluyendo partículas de arcilla y las células bacterianas, en respuesta al gradiente de potencial electrostático.

Figura 4. Electromigración de iones en una disposición electroquímica para eliminar contaminantes de una matriz.

Con el fin de mejorar el proceso de REC y disminuir el tiempo de remoción, los esfuerzos se han centrado en cambiar algunos parámetros operacionales. Por ejemplo, modificando el pH y la densidad de corriente, introducciéndo compuestos químicos en cámaras de electrolitos, añadiendo agentes complejantes y quelantes para desorber el contaminante de suelos, modificado el sistema, la colocación de barreras reactivas en la matriz del suelo o, simplemente, se han probado diferentes materiales como electrodos.

3. TRATAMIENTOS ELECTROQUÍMICOS APLICADOS A DESECHOS RADIACTIVOS

3.1 REMOCIÓN DE CS-137 DE SUELO

El análisis PIXE se aplicó en el estudio del comportamiento electrocinético de cesio en suelo. Este estudió permitió investigar el efecto de la electrólisis sin tener en cuenta interacciones complicadas entre el contaminante y el suelo, tales como disolución de las partículas del suelo y de los fenómenos de adsorción. De acuerdo a este estudio, la migración de cesio se lleva a cabo principalmente por electroósmosis. Se realizaron pruebas de electrorremendiación del suelo, aumentando su conductividad eléctrica al adicionar al sistema NaCl.

3.2 REMOCIÓN DE CO-60 Y CS-137 DE SUELO

Un equipo Sudcoreado desarrollo un equipo piloto para la remediación de suelos contaminados con cesio y cobalto radiactivos. Las condiciones óptimas experimentales se obtuvieron con un equipo de 50 L para remediación electrocinética y los resultados fueron los siguientes: eficiencia de eliminación de Co2+ y Cs+ desde el suelo contaminado artificialmente después de 15 días fueron 98,4 % y 94,9 %, respectivamente, y el volumen de efluentes generados fue de 3,4 mLg-1. Las eficiencias de remoción de Co-60 y Cs-137 por el ácido nítrico se incrementaron en un 3,1 % y un 2,0 % más que las de ácido acético. Las eficiencias de remoción de Co-60 y Cs-137 del suelo de concentraciones altas (1320 Bqkg-1 y 1720 Bqkg-1) se incrementaron en un 14,4 % y un 3,8 % más que los de la tierra de bajas concentraciones (110 Bqkg-1 y 120 Bqkg-1).

3.3 REMOCIÓN DE U-238, CS-137 Y SR-85 DE SUELO.

Este estudio demostró la factibilidad de aplicación la remediación electrocinética de suelos para la eliminación de radionúclidos contaminantes, como el U-238, Cs-137 y Sr-85.. El uranio y el estroncio se eliminaron de manera eficiente de caolinita por remediación electrocinética. En el caso de cesio, la tasa de eliminación puede ser significativamente más lenta que las del uranio y estroncio. Esto es debido a su movilidad iónica inferior y la gran afinidad de cesio a la caolinita. El ácido acético fue eficaz como agente potenciador para los iones de hidróxido producidos en el cátodo, y evitó la precipitación de iones de uranio en la región del cátodo.

3.4 REMOCIÓN DE CS-137 Y CS-134 DE CENIZAS RADIACTIVAS.

Desechos contaminados con Cs-137 y Cs-134, generados por el tsunami en Fukushima, fueron incinerados, produciéndose una gran cantidad de cenizas radiactivas. Se desarrolló un método de descontaminación de lavado electrocinético fue desarrollado para descontaminar estas cenizas radiactivas. El proceso consiste en un lavado de las cenizas contaminadas con HNO3, en tres ciclos, a pH 0, mezclando1 g de cenizas por 1 mL de ácido. El residuo generado se precipitaba con CaO y se reutilizaban sólo las del tercer lavado. Si la actividad de las cenizas lavadas era mayor a los límites de liberación, la ceniza lavada se trataba en el equipo electrocinético para su descontaminación. El equipo consiste de dos cámaras, correspondientes al ánodo y cátodo. El cesio de las cenizas es removido del cátodo mediante electromigración y electroósomosis.

3.5 RECUPERACIÓN DE SODIO ALCALINO DE DESECHOS NUCLEARES.

Un proceso electroquímico ha sido desarrollado para recuperar y reciclar NaOH de desechos radiactivos que contienen grandes cantidades de sales de sodio. El proceso permite ahorrar costos al reducir el volumen de desechos a eliminar y recupera el NaOH para su reciclaje en los procesos de tratamiento de residuos como los lodos de lixiviación, la regeneración de resinas de intercambio iónico, la inhibición de la corrosión en tanques de acero al carbono, o la recuperación de los desechos de tanques. El proceso se basa en una celda de dos compartimentos separados por una membrana selectiva de cationes. Los desechos entran por el ánodo, los iones de sodio migran a través de la membrana del catolito, bajo la influencia de un potencial eléctrico aplicado. Se forman hidróxidos en el cátodo por la reducción de agua, produciéndose de este modo una solución de hidróxido de sodio.
3.6 Destrucción de desechos orgánicos radiactivos.

El proceso desarrollado para la eliminación de aceites contaminados con radionúclidos emisores alfas comprende cuatro etapas, como lo muestra la figura 5. Primeramente los aceites son emulsificados mediante agentes emulsificadores como el CLAX200S, posteriormente la emulsión es mezclada con grafito, y se deja sedimentar la mezcla en una celda electroquímica, se introducen los electrodos a la cama que se forma con el grafito y se hace pasar una corriente para destruir el material orgánico mediante una oxidación anódica; produciéndose CO, CO2, H2 y Cl2 en los electrodos. Después del tratamiento el adsorbente, es decir el grafito, se regenera para su reutilización en un nuevo tratamiento.

Figura 5. Degradación de aceites contaminados con emisores alfa mediante un método electroquímico.

4. CONCLUSIONES

Los materiales radiactivos se utilizan ampliamente en actividades industriales, de investigación, médicas, agrícolas, ambientales, etc. Durante la producción y el uso de estos materiales será inevitable que surjan de desechos radiactivos.

Una estrategia de gestión de desechos debe considerar desde la producción del desecho hasta su disposición final, dado que el decaimiento es la única forma natural de la reducción de la radiactividad. En particular, el tratamiento de los desechos radiactivos implica operaciones destinadas a disminuir su volumen.

En el caso de tratamiento de electrorremediación de desechos radiactivos ofrece muchas ventajas tales como la capacidad para eliminar contaminantes orgánicos e inorgánicos, mediante la aplicación de corriente eléctrica continua en suelo, o alguna otra matriz sólida o líquida; es fácil de operar y consiste en la instalación de electrodos en el desecho y la aplicación de un gradiente de potencial o de corriente continua a través de ellos. En consecuencia, la remediación electrocinético es una muy buena alternativa tecnológica para eliminar radionúclidos tales como Na-22, Cs-137, Cs-134, Sr-85, Sr-90, Co-60 y U-238 de matrices radiactivos tanto saturados e insaturados, en periodos de tiempo relativamente cortos y altas eficiencias de eliminación en comparación con otros tratamientos.

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Viridiana Valdovinos García^1,2 Fabiola Monroy Guzmán² y Erika Bustos Bustos¹
¹Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica e ²Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares