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Tesis

Propiedades de resinas de intercambio iónico, pirolizadas en función de parámetros de proceso

2018



TesistaJuan Pablo ALVAREZ
Ingeniero Industrial - Universidad de Palermo - Argentina
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
DirectorDr. Vittorio LUCA,   CNEA - Argentina
Lugar de realizaciónLaboratorio de Química y Radioquímica - Programa Nacional de Gestión de Residuos Radiactivos - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina
Fecha Defensa17/04/2018
JuradoDra. Paula Cecilia ANGELOMÉ.   CNEA, CONICET - Argentina
Dr. Hugo Luis BIANCHI.   CNEA, UNSAM - Argentina
Dr. Alejandro Marcelo SENN.   CNEA, CONICET - Argentina
CódigoITS/TM 191/18

Título completo

Propiedades de resinas de intercambio iónico, pirolizadas en función de parámetros de proceso

Resumen

Uno de los principales residuos generados en las plantas nucleares son las Resinas de Intercambio Iónico (RII) agotadas. Estas RII son utilizadas para el tratamiento del agua refrigerante del reactor y pueden quedar contaminadas con diversos radionucleidos. Estas resinas representan el mayor volumen de los distintos residuos de bajo e intermedio nivel. Los tratamientos posibles y métodos de acondicionamiento de las RII agotadas incluyen secado, incineración, pirólisis, inmovilización en diversas matrices, entre otros o una combinación de los mismos.

La pirólisis tiene ciertas ventajas, por ejemplo una reducción de volumen. También se ha demostrado que a través de la pirolización se obtienen productos químicamente resistentes, donde el inventario radioactivo presente en las RII permanece retenido en las mismas. El objetivo principal de esta Tesis es determinar la influencia de la temperatura de pirolización y presión parcial de aire sobre las propiedades del producto piropolimérico final (estructura, microestructura, lixiviación, reducción de volumen y volatilidad de elementos). Se observó que, en condiciones de vacío y a temperaturas superiores a los 300 °C, hubo una reducción de masa de más del 50% para Resinas de Intercambio Catiónicas (RIC) y más del 60% para Resinas de Intercambio Aniónicas (RIA). Con respecto a los ensayos de lixiviación, para el caso de las RIC se observó que las menores fracciones lixiviadas acumuladas (FLA) se obtuvieron a 300 °C y 2 mTorr, con valores mínimos de alrededor de 0,0289 para el caso del Cs+ y de 0,00015 para el caso del Sr2+.

Ya que el 99Mo es un producto de fisión de alto rendimiento que decae a 99Tc y estaría incorporado en las RIA como Molibdato (99MoO42-), se consideró evaluar la lixiviación de Mo desde las RIA pirolizadas, utilizando Vanadato como subrogante debido al impedimento de cuantificar Mo a través de TXRF. La lixiviación de Vanadio (V) fue investigada llevando a cabo la pirolización de las RIA a 300 °C y un rango de presiones parciales de aire. La muestra pirolizada a 2 mTorr obtuvo las menores FLA de V de la serie, con valores aproximados de 0,00012. Dichos valores pueden considerarse extremadamente bajos.

Se evaluó la volatilización de 99Mo desde las RIA cargadas. En los termogramas, no se observaron picos de volatilidad de Mo en el rango entre 25 a 1000 °C. Análisis de estas RIA calentadas a 1000 °C por SEM-EDX, mostraron un contenido de Mo similar a los productos no calentados.

Por ende, basado en estos resultados, se espera que las RIA con incorporación de Mo,  sean no volátiles en condiciones relevantes de pirolisis.

 Palabras claves: corrientes de residuos, Resinas de Intercambio Iónico, pirólisis, propiedades del producto final, fracciones lixiviadas acumuladas, volatización de 99Mo.

 

Complete Title

Properties of ion exchange resins, pyrolyzed as a function of process parameters

Abstract

One of the main waste streams generated in nuclear power plants are spent Ion Exchange Resins (IER). These IER are used to purify reactor coolant and can become contaminated with radionuclides. These IER represent the largest volume low- and intermediate-level waste stream generated. Possible treatment and conditioning methods for spent resins includes drying, incineration, pyrolysis, immobilization in various matrices, among others or a combination thereof.

Pyrolysis has certain advantages, like a reduction in volume. It has also been shown that pyrolysis can yield chemically resistant products where the radioactive inventory present in the treated IER remains entirely within the pyrolysis product. The main objective of this Thesis is to determine the influence of the pyrolysis temperature and partial pressure of air on the properties of the final pyropolymer product (microstructure, leaching, volume reduction and volatility of elements). It was observed that, under vacuum conditions, and at temperatures above 300 °C, there was a mass reduction of more than 50% for the Cation Exchange Resins (CER) and more than 60% for Anion Exchange Resins (AER). With respect to the leaching tests, for the case of the CER it was observed that the lowest cumulative leached fraction (CLF) of Cs+ were obtained at 300 °C and 2 mTorr. A minimum CLF of around 0.0289 was obtained for the case of Cs+ and 0.00015 for the case of Sr2+.

Since 99Mo is a high-yield fission product that decays to 99Tc and would be incorporated in the RIA as molybdate (99MoO42-), the leaching of Mo from the pyropolymer generated by the pyrolysis of AER loaded with inactive Mo was also considered. Since Mo could not be quantified by TXRF, the vanadate anion was used as a surrogate. Vanadium leaching was investigated for V-loaded AER following pyrolysis at 300 °C and a range of air partial pressures. The sample prepared at a partial air pressure of 2 mTorr, gave the lowest V CLF of the series with a value of 0.00012, which are considered extremely low.

The evaluation of the volatilization of 99Mo from the AER was performed. In the TGA traces, no weight loss due to Mo volatilization could be identified in the temperature range 25 to 1000 °C. SEM-EDX analysis indicated that, within experimental uncertainty, the Mo content of AER pyrolyzed at 1000 °C was very similar to that of the unheated samples. This shows that Mo incorporated in AER is expected to be non-volatile under relevant pyrolysis conditions. Therefore, based on these results, no Mo volatility is expected for AER treated at 300 °C in a partial air pressure of 2 mTorr.

Key Words: waste streams, Ion Exchange Resins, pyrolysis, properties of the final pyropolymer product, cumulative leached fraction, volatilization of 99Mo.


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