ITMI20120801A1 - METHOD FOR CONDITIONING SCORES ARISING FROM DISPOSAL OF NUCLEAR PLANTS - Google Patents
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Description
Descrizione Description
“METODO PER IL CONDIZIONAMENTO DI SCORIE DERIVATE DA SMALTIMENTO DI IMPIANTI NUCLEARI†⠀ œMETHOD FOR THE CONDITIONING OF WASTE DERIVED FROM THE DISPOSAL OF NUCLEAR PLANTSâ €
La presente invenzione riguarda un metodo per il trattamento di scorie nucleari ferrose, tipicamente scorie prodotte in operazioni di decapaggio di parti metalliche contaminate. The present invention relates to a method for the treatment of ferrous nuclear waste, typically waste produced in pickling operations of contaminated metal parts.
Sono identificate come “scorie nucleari" tutti i sottoprodotti o i residui radioattivi, non riutilizzabili, di processi, o più in generale di operazioni, nelle quali sono state generate o utilizzate sostanze radioattive. Le scorie nucleari di qualunque tipo e provenienza, a causa della loro pericolosità per l'uomo e il suo ambiente, devono essere trattate e stoccate secondo metodologie del tutto particolari, che assicurino il confinamento a tempi anche molto lunghi delle radiazioni e degli elementi o isotopi nucleari. All radioactive by-products or residues, not reusable, of processes, or more generally of operations, in which radioactive substances have been generated or used are identified as "nuclear waste". Nuclear waste of any type and origin, due to their danger to man and his environment, must be treated and stored according to very special methods, which ensure the confinement to even very long times of radiation and nuclear elements or isotopes.
Esistono numerosi tipi di processi in cui vengono impiegati elementi o radiazioni nucleari, che producono scorie a diversi gradi di concentrazione e pericolosità . Una classificazione proposta, in uso in Italia, divide queste scorie in: There are numerous types of processes in which nuclear elements or radiation are used, which produce waste at varying degrees of concentration and danger. A proposed classification, in use in Italy, divides these slags into:
- categoria 1 , che comprende tutte le scorie a basso livello di radioattività ; à ̈ la categoria più vasta, comprendendo, come massa, circa il 90% delle scorie prodotte, ma solo l’1% della radioattività (esempi sono il materiale sanitario usato in medicina nucleare, gli indumenti usa e getta forniti in una visita ad un impianto nucleare etc. ...); - category 1, which includes all low level radioactive waste; It is the largest category, comprising, as mass, about 90% of the waste produced, but only 1% of the radioactivity (examples are the sanitary material used in nuclear medicine, the disposable clothing provided in a visit to a nuclear plant etc. ...);
- categoria 2, che comprende tutte le scorie a medio livello di radioattività ; queste richiedono una schermatura, ma costituiscono solo il 7% delle scorie, con una radioattività totale del 4% (esempi sono le guaine degli elementi combustibili di un reattore); - category 2, which includes all medium level radioactive waste; these require shielding, but constitute only 7% of the waste, with a total radioactivity of 4% (examples are the sheaths of the fuel elements of a reactor);
- categoria 3, che comprende tutte le scorie ad alto livello di radioattività , che costituiscono solo il 3% delle scorie ma rappresentano il 95% della radioattività ; sono le più pericolose per l’alta dose di radiazione che un’esposizione accidentale comporterebbe e per il decadimento nell’ordine di milioni di anni di alcuni degli isotopi radioattivi in esse contenuti. - category 3, which includes all waste with a high level of radioactivity, which constitutes only 3% of waste but represents 95% of radioactivity; they are the most dangerous due to the high dose of radiation that an accidental exposure would entail and to the decay in the order of millions of years of some of the radioactive isotopes they contain.
I differenti tipi di scorie richiedono procedure di smaltimento differenziate. Le tecniche studiate e descritte negli ultimi 60 anni allo scopo sono numerosissime. I risultati sono pubblici e in generale facilmente accessibili; per quelli specifici, riguardanti Io stoccaggio a lungo termine dei tipi di scoria contenenti isotopi a lunga vita e/o ad alta mobilità le conclusioni sono, tuttavia, ancora incerte. Le risorse investite in questi studi sono, presumibilmente, enormi; quelle da investire per il condizionamento e lo stoccaggio a lungo termine delle scorie nucleari esistenti (incluso il risanamento dei relativi siti), sono in parte note: per i soli USA sono state valutate in centinaia di miliardi di dollari. The different types of waste require different disposal procedures. The techniques studied and described in the last 60 years for this purpose are very numerous. The results are public and generally easily accessible; for the specific ones, concerning the long-term storage of types of waste containing long-lived and / or high-mobility isotopes, the conclusions are, however, still uncertain. The resources invested in these studies are, presumably, enormous; those to be invested for the conditioning and long-term storage of existing nuclear waste (including the remediation of the related sites) are partly known: for the US alone they have been valued in hundreds of billions of dollars.
Lo smaltimento di queste scorie richiede, in generale, una fase di condizionamento, che consiste nella trasformazione della scoria in una forma adatta allo stoccaggio; e lo stoccaggio delle scorie condizionate in siti adatti, naturali o industrialmente prodotti. The disposal of this slag generally requires a conditioning phase, which consists in the transformation of the slag into a form suitable for storage; and the storage of conditioned waste in suitable natural or industrially produced sites.
Una tipologia particolare di scorie nucleari, strategicamente molto importanti, sono quelle generate nelle operazioni di bonifica dei reattori nucleari non più attivi e dei siti nucleari divenuti obsoleti. In questo caso le scorie nucleari sono tipicamente generate nelle operazioni di recupero e decontaminazione delle grandi strutture metalliche, che, esposte al contatto e/o alle radiazioni di isotopi radioattivi, sono diventate a loro volta radioattive (limitatamente alla superficie esposta), per contaminazione chimica o per mutazione nucleare (sotto l’effetto delle radiazioni). Il complesso delle operazioni legate a queste bonifiche viene indicato nel settore con il termine inglese “decommissioning†, che sarà adottato nel resto del testo. La tecnica dominante nelle operazioni di decontaminazione di superfici metalliche à ̈ il cosiddetto “decapaggio†. A particular type of nuclear waste, strategically very important, are those generated in the reclamation of nuclear reactors that are no longer active and nuclear sites that have become obsolete. In this case, nuclear waste is typically generated in the recovery and decontamination operations of large metal structures, which, when exposed to contact and / or radiation from radioactive isotopes, have in turn become radioactive (limited to the exposed surface), due to chemical contamination. or by nuclear mutation (under the effect of radiation). The whole of the operations linked to these reclamations is indicated in the sector with the English term â € œdecommissioningâ €, which will be adopted in the rest of the text. The dominant technique in the decontamination operations of metal surfaces is the so-called â € œ picklingâ €.
Molte delle scorie da decommissioning così generate appartengono alla categoria 3 sopra citata, e contengono tipicamente isotopi a lunga vita media e ad alta mobilità , che comportano in ogni modo il condizionamento specifico per scorie ad alta pericolosità . Mentre sono stati identificati processi industrialmente collaudati ed economicamente utili per la gestione completa delle scorie nucleari appartenenti alle categorie 1 e 2, per quelle di categoria 3 si sono avuti risultati importanti ma ancora parziali, sopratutto per l’aspetto anti-economico del condizionamento richiesto, e a tutt’oggi non à ̈ operativo alcun deposito per lo stoccaggio a lungo termine. Many of the decommissioning waste thus generated belong to the above-mentioned category 3, and typically contain isotopes with a long, medium-life and high mobility, which in any case involve specific conditioning for highly dangerous waste. While industrially tested and economically useful processes have been identified for the complete management of nuclear waste belonging to categories 1 and 2, for those of category 3 important but still partial results have been obtained, especially for the anti-economic aspect of the required conditioning. , and to date no long-term storage facility is in operation.
Per quanto riguarda il condizionamento di scorie da decommissioning, e tipicamente quelle generate da decapaggio, gli esperti sono arrivati alla conclusione che sia necessario usare matrici vetrose con alta stabilità , sia chimica che termo-meccanica per tutti gli isotopi radioattivi a lunga vita e/o ad alta mobilità ; si veda per esempio l’articolo “Glass packages guaranteed far millions ofyears", di É. Y. Vernaz, Clefs CEA, n. 46 (2002), pagg. 81-84. Sono stati proposti numerosi esempi di vetrificazione di scorie di categoria 3, anche a livello industriale, che sono però risultati condizionati da problemi di affidabilità di processo e da costi tipicamente alti. As regards the conditioning of decommissioning waste, and typically those generated by pickling, the experts have come to the conclusion that it is necessary to use glass matrices with high chemical and thermo-mechanical stability for all long-lived radioactive isotopes and / or high mobility; see for example the article â € œGlass packages guaranteed far millions ofyears ", by à ‰. Y. Vernaz, Clefs CEA, n. 46 (2002), pp. 81-84. Numerous examples of vitrification of category 3 slag, even at an industrial level, which were however affected by process reliability problems and typically high costs.
Recentemente tra i materiali vetrosi più promettenti allo scopo di trattenere isotopi radioattivi, soprattutto se in presenza di solfati, cromati, fosfati e alogenuri, sono stati accreditati i sistemi vetrosi fosfatici contenenti ferro. Sistemi di questo tipo sono descritti nei brevetti US 5.750.824 e US 5.840.638 e nella domanda di brevetto GB 2.371.542 A. Recently, among the most promising glassy materials for the purpose of retaining radioactive isotopes, especially if in the presence of sulphates, chromates, phosphates and halides, the glassy phosphatic systems containing iron have been credited. Systems of this type are described in patents US 5,750,824 and US 5,840,638 and in patent application GB 2,371,542 A.
Tra questi, particolarmente interessante à ̈ US 5.750.824, che insegna la produzione di vetri fosfatici contenenti dal 30 al 70% in peso di ossido di fosforo (come P2O5) e dal 22 al 50% di ossido di ferro, il resto essendo costituito dagli ossidi di altri metalli, tra cui quelli derivati dalle scorie nucleari; inoltre, questo documento insegna che i risultati migliori si ottengono con vetri in cui il ferro à ̈ presente per almeno il 50%, preferibilmente almeno Γ80% e ancor più preferibilmente almeno il 90%, nello stato di ossidazione 3, cioà ̈ come ione Fe<3+>. Secondo questo documento, i vetri fosfatici con un elevato rapporto Fe<3+>/Fe<2+>sono caratterizzati dalle migliori proprietà di resistenza chimica (per esempio, alla lisciviazione, cioà ̈ il dilavaggio con acqua), di densità e di resistenza termomeccanica. Among these, particularly interesting is US 5,750,824, which teaches the production of phosphate glasses containing from 30 to 70% by weight of phosphorus oxide (as P2O5) and from 22 to 50% of iron oxide, the rest being made up of from oxides of other metals, including those derived from nuclear waste; moreover, this document teaches that the best results are obtained with glasses in which iron is present for at least 50%, preferably at least Î "80% and even more preferably at least 90%, in the oxidation state 3, i.e. as Fe <3+> ion. According to this document, phosphatic glasses with a high Fe <3 +> / Fe <2+> ratio are characterized by the best properties of chemical resistance (for example, to leaching, i.e. washing with water), density and resistance thermomechanics.
I metodi insegnati in questi documenti prevedono la preparazione di una miscela di polveri di ossidi o sali di fosforo e di ferro nei rapporti in peso desiderati; la fusione di questa miscela; l'aggiunta, prima 0 durante detta fusione, delle scorie da smaltire; e la solidificazione del fuso in appositi stampi. The methods taught in these documents provide for the preparation of a mixture of powders of oxides or salts of phosphorus and iron in the desired weight ratios; the fusion of this mixture; the addition, before or during said melting, of the slag to be disposed of; and the solidification of the melt in special molds.
Un problema ancora aperto con questi metodi à ̈ la gestione dei notevoli volumi di liquido delle soluzioni in cui sono inizialmente dissolte le scorie da decommissioning. Infatti, in alcuni casi le soluzioni vengono aggiunte direttamente al fuso di ossidi o sali di fosforo e ferro, generando però ingenti volumi di vapori che poi devono essere ricondensati, decontaminati e smaltiti; in altri casi, le soluzioni vengono prima portate a secco, e le scorie vengono aggiunte in forma di polvere al fuso, ma anche in questo caso l’ottenimento delle polveri di scorie comporta l’evaporazione di elevate quantità di liquido. An open problem with these methods is the management of the considerable volumes of liquid of the solutions in which the decommissioning waste is initially dissolved. In fact, in some cases the solutions are added directly to the melt of oxides or salts of phosphorus and iron, generating however large volumes of vapors which must then be recondensed, decontaminated and disposed of; in other cases, the solutions are first brought to dryness, and the slag is added in the form of powder to the melt, but also in this case the obtaining of slag powders involves the evaporation of large quantities of liquid.
Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un metodo migliorato per il condizionamento di scorie da decommissioning, specificamente quelle da decapaggio. The purpose of the present invention is to provide an improved method for the conditioning of decommissioning slags, specifically those from pickling.
Secondo l’invenzione, questo scopo viene ottenuto con un processo che comprende le seguenti fasi: According to the invention, this purpose is achieved with a process which includes the following steps:
- dissoluzione delle parti metalliche contaminate di impianti nucleari con uso di acido fosforico, formando una soluzione a pH inferiore a 1 ,5; - dissolution of contaminated metal parts of nuclear plants with the use of phosphoric acid, forming a solution with a pH lower than 1.5;
- ossidazione degli ioni di ferro in soluzione da Fe<2+>a Fe<3+>per ottenere un rapporto Fe<3+>/Fe<2+>uguale o superiore a 9; - oxidation of iron ions in solution from Fe <2+> to Fe <3+> to obtain a Fe <3 +> / Fe <2+> ratio equal to or greater than 9;
- innalzamento per via elettrochimica, in una cella senza membrana o con membrana cationica, del pH della soluzione così ottenuta ad un valore superiore a 1 ,5 e inferiore a 10, causando la precipitazione dei sali fosfatici del ferro e degli ioni metallici presenti nella soluzione; - electrochemical raising, in a cell without membrane or with a cationic membrane, of the pH of the solution thus obtained to a value greater than 1, 5 and less than 10, causing the precipitation of the phosphate salts of iron and metal ions present in the solution;
- separazione dei sali precipitati dalla fase liquida; e - separation of the precipitated salts from the liquid phase; And
- trattamento termico di vetrificazione della miscela di solidi precipitati. - heat treatment of vitrification of the mixture of precipitated solids.
L’invenzione verrà illustrata con riferimento alle seguenti Figure, in cui: The invention will be illustrated with reference to the following Figures, in which:
- la Fig. 1 mostra (in modo schematico) nella sua parte superiore una cella elettrochimica per la realizzazione del metodo dell’Invenzione, e nella sua parte inferiore un diagramma dell’andamento della concentrazione dello ione H<+>all’interno della cella, lungo la coordinata che va dal catodo all'anodo della cella; - Fig. 1 shows (schematically) in its upper part an electrochemical cell for the realization of the method of the invention, and in its lower part a diagram of the trend of the concentration of the H <+> ion at inside the cell, along the coordinate that goes from the cathode to the anode of the cell;
- la Fig. 2 mostra in modo schematico una cella elettrochimica alternativa per la realizzazione del metodo dell’invenzione. - Fig. 2 schematically shows an alternative electrochemical cell for carrying out the method of the invention.
Il metodo dell’Invenzione presenta vari vantaggi rispetto a quelli noti. In particolare, non richiede il pretrattamento di ingenti volumi di soluzione per recuperare i sali dei metalli radioattivi da aggiungere poi ai precursori del vetro ferro-fosfatico in proporzioni adatte, perché col presente processo la miscela di fosforo e metalli, in linea di massima nelle proporzioni necessarie, viene prodotta in situ nella soluzione, e viene poi ricavata da questa per essere inviata ai trattamenti termici, mentre la fase liquida rimanente può essere riciclata, previo rabbocco con nuovo acido fosforico concentrato, in un successivo ciclo di dissoluzione (decapaggio), precipitazione e separazione, senza dover essere smaltita in modo separato. In questo modo si evitano tutti i trattamenti che possono generare contaminazioni secondarie. The method of the invention has various advantages with respect to the known ones. In particular, it does not require the pretreatment of large volumes of solution to recover the salts of the radioactive metals to be then added to the precursors of the iron-phosphatic glass in suitable proportions, because with the present process the mixture of phosphorus and metals, in principle in the necessary proportions, is produced in situ in the solution, and is then obtained from this to be sent to heat treatments, while the remaining liquid phase can be recycled, after topping up with new concentrated phosphoric acid, in a subsequent dissolution cycle (pickling), precipitation and separation, without having to be disposed of separately. In this way, all treatments that can generate secondary contamination are avoided.
La prima operazione del processo consiste nel lavaggio e dissoluzione in acido fosforico delle parti metalliche contaminate in superficie (decapaggio), derivate dallo smantellamento de impianto nucleare. Queste sono convenientemente ridotte in pezzi di dimensioni e peso adatte, per esempio dell’ordine di chilogrammi o decine di chilogrammi. Le parti metalliche derivate dagli impianti nucleari sono tipicamente in acciaio, e quindi sono costituite principalmente da ferro, con quantità minori di elementi tipici della metallurgia degli acciai (cromo, nichel, manganese, ...) e di elementi radioattivi che si sono depositati in superficie, o che si sono prodotti, per contatto con isotopi radioattivi o radiazioni. È stato osservato che la concentrazione opportuna in peso di metalli nella soluzione acida à ̈ compresa tra circa il 5 e il 12%, preferibilmente intorno al 10%, del peso della soluzione complessiva. Questa soluzione viene standardizzata successivamente alla concentrazione e al pH desiderati (per esempio 9% in peso e pH 1 ). Operando sotto queste condizioni in acido fosforico si ha una soluzione concentrata, ideale per le successive operazioni di ossidazione del ferro da Fe<2+>a Fe<3+>e sufficientemente vicina al punto di saturazione per la precipitazione dei sali ferro-fosfatici. La soluzione risultante ha un rapporto in peso tra fosforo e ferro adatto per la produzione di vetri ferrofosfatici dotati delle caratteristiche necessarie ai fini del condizionamento dei metalli radioattivi presenti inizialmente in soluzione. Dopo la separazione del precipitato solido dalla fase liquida della soluzione, avviene un ultimo controllo della composizione elementare del materiale ottenuto e, se necessario, un ritocco della composizione con aggiunta eventualmente del componente in difetto. Per gli scopi dell'invenzione, la soluzione deve contenere ferro e fosforo in un rapporto molare compreso tra 33/66 e 45/55, e preferibilmente di circa 40/60, e avere un pH inferiore a 1 ,5. The first operation of the process consists in washing and dissolving in phosphoric acid of the metal parts contaminated on the surface (pickling), deriving from the dismantling of the nuclear plant. These are conveniently reduced into pieces of suitable size and weight, for example in the order of kilograms or tens of kilograms. The metal parts derived from nuclear plants are typically made of steel, and therefore consist mainly of iron, with smaller quantities of elements typical of steel metallurgy (chromium, nickel, manganese, ...) and of radioactive elements that are deposited in surface, or that are produced, by contact with radioactive isotopes or radiation. It has been observed that the appropriate concentration by weight of metals in the acid solution is between about 5 and 12%, preferably about 10%, of the weight of the overall solution. This solution is subsequently standardized to the desired concentration and pH (for example 9% by weight and pH 1). Operating under these conditions in phosphoric acid, a concentrated solution is obtained, ideal for the subsequent oxidation operations of iron from Fe <2+> to Fe <3+> and sufficiently close to the saturation point for the precipitation of iron-phosphate salts. The resulting solution has a weight ratio between phosphorus and iron suitable for the production of ferrophosphatic glasses endowed with the characteristics necessary for the conditioning of the radioactive metals initially present in the solution. After the separation of the solid precipitate from the liquid phase of the solution, a final check of the elemental composition of the material obtained takes place and, if necessary, a retouching of the composition with the addition of the defective component if necessary. For the purposes of the invention, the solution must contain iron and phosphorus in a molar ratio between 33/66 and 45/55, and preferably about 40/60, and have a pH lower than 1.5.
La soluzione ottenuta può essere opzionalmente analizzata per determinarne la composizione chimica, e in particolare il rapporto molare Fe/P e il rapporto Fe<3+>/Fe<2+>. Per gli scopi dell’invenzione, à ̈ preferibile che il rapporto molare Fe/P sia aH'incirca 40/60; questo rapporto può essere regolato nell'intorno del valore ottimale per aggiunta, alla soluzione direttamente ottenuta da decapaggio, di un sale solubile di ferro o di acido fosforico, a seconda di quale dei due componenti à ̈ risultato dall’analisi in difetto rispetto a detto rapporto ottimale. Inoltre, à ̈ preferibile che il rapporto Fe<3+>/Fe<2+>abbia un valore elevato, superiore a 9 e tipicamente superiore a 24. The solution obtained can optionally be analyzed to determine its chemical composition, and in particular the molar ratio of Fe / P and the ratio of Fe <3 +> / Fe <2+>. For the purposes of the invention, it is preferable that the molar ratio Fe / P is about 40/60; this ratio can be adjusted to around the optimal value by adding, to the solution directly obtained from pickling, a soluble salt of iron or phosphoric acid, depending on which of the two components is the result of the analysis at fault with respect to said optimal ratio. Furthermore, it is preferable that the Fe <3 +> / Fe <2+> ratio has a high value, greater than 9 and typically greater than 24.
Poiché nella soluzione iniziale ottenuta per decapaggio il ferro à ̈ presente quasi esclusivamente in forma di ioni Fe<2+>, il metodo dell’invenzione prevede una seconda operazione, che consiste nell’ossidazione di almeno parte di detti ioni per portare detto rapporto nell’intervallo preferito; l’operazione di ossidazione può essere realizzata per esempio per aggiunta di perossido di idrogeno, di ione permanganato, tramite gorgogliamento di ossigeno nella soluzione, o con qualsiasi altro metodo noto. Since in the initial solution obtained by pickling the iron is present almost exclusively in the form of Fe <2+> ions, the method of the invention provides a second operation, which consists in the oxidation of at least part of said ions to bring said ratio in the preferred interval; the oxidation operation can be carried out for example by adding hydrogen peroxide, ion permanganate, by bubbling oxygen in the solution, or by any other known method.
La terza operazione del processo dell’invenzione consiste nel causare la precipitazione dei sali metallici presenti in soluzione, innalzando il pH di quest'ultima senza aumentarne il volume. In questa operazione il pH della soluzione viene portato ad un valore compreso tra 1 ,5 e 10, e preferibilmente tra 1 ,7 e 2,5. The third operation of the process of the invention consists in causing the precipitation of the metal salts present in the solution, raising the pH of the latter without increasing its volume. In this operation the pH of the solution is brought to a value between 1, 5 and 10, and preferably between 1, 7 and 2.5.
Secondo la presente invenzione, l’innalzamento del pH viene ottenuto per via elettrochimica, applicando una differenza di potenziale tra due elettrodi immersi nella soluzione ottenuta dall’operazione precedente. According to the present invention, the raising of the pH is obtained by electrochemical way, by applying a potential difference between two electrodes immersed in the solution obtained from the previous operation.
In una prima forma di realizzazione del metodo, il trattamento elettrochimico viene effettuato in una cella elettrochimica ad unico compartimento, ossia dove non esistano elementi di separazione tra anodo e catodo, del tipo schematizzato in Fig. 1. In a first embodiment of the method, the electrochemical treatment is carried out in an electrochemical cell with a single compartment, ie where there are no separation elements between anode and cathode, of the type shown in Fig. 1.
Nella cella, 10, costituita da una singola vasca, viene introdotta la soluzione da trattare, 11 , derivante dall’operazione di ossidazione. Nella cella vengono anche inseriti due elettrodi, 12 e 13. Agli elettrodi à ̈ applicata una differenza di potenziale adeguata (in figura, l’elettrodo 12 viene portato a potenziale catodico e l’elettrodo 13 a potenziale anodico), così da generare una corrente elettrica di valore opportuno conseguente l’instaurarsi della reazione di elettrolisi dell’acqua. The solution to be treated, 11, deriving from the oxidation operation, is introduced into the cell 10, consisting of a single tank. Two electrodes, 12 and 13 are also inserted in the cell. An adequate potential difference is applied to the electrodes (in the figure, the electrode 12 is brought to cathodic potential and the electrode 13 to anode potential), so as to generate an electric current of suitable value consequent to the establishment of the electrolysis reaction of the water.
Essendo la soluzione introdotta nella cella elettrochimica fortemente acida, al catodo avviene la reazione di riduzione degli ioni idrogeno: Since the solution introduced into the electrochemical cell is highly acidic, the hydrogen ion reduction reaction takes place at the cathode:
2H<+>+ 2e<">→ H2†2H <+> + 2e <"> â †’ H2â €
che conseguentemente consuma gli stessi provocando un innalzamento del valore del pH; simmetricamente, all’anodo avviene la reazione di ossidazione: which consequently consumes them causing an increase in the pH value; symmetrically, the oxidation reaction takes place at the anode:
H20 → 1/2 02†2H<+>+ 2e<~>H20 â † ’1/2 02â € 2H <+> + 2e <~>
che introduce nella soluzione una quantità di ioni H<+>pari a quella consumata al catodo. which introduces into the solution a quantity of H <+> ions equal to that consumed at the cathode.
Globalmente non si ha quindi alterazione del pH della soluzione in quanto la circolazione di corrente elettrica provoca sia un consumo di ioni H<+>al catodo che la formazione degli stessi ioni in quantità equivalente all’anodo. Overall, therefore, there is no alteration of the pH of the solution as the circulation of electric current causes both a consumption of H <+> ions at the cathode and the formation of the same ions in a quantity equivalent to the anode.
Per garantire però il trasporto degli ioni, in particolare di H<+>, dall'anodo al catodo si instaura un gradiente di concentrazione, che dipende dalla densità di corrente applicata; il gradiente à ̈ tale che la concentrazione di H<+>à ̈ massima all’anodo (dove H<+>si forma) e minima al catodo (dove H<+>si consuma), come illustrato nel diagramma inferiore in Figura 1 (la coordinata orizzontale nel diagramma rappresenta la distanza tra il catodo, posizione “C†sull’asse delle ascisse, e l'anodo, posizione “A" sullo stesso asse). Pertanto, nell’intorno del catodo il pH s'innalza a tal punto da innescare la precipitazione dì FeP04. However, to ensure the transport of ions, in particular of H <+>, from the anode to the cathode, a concentration gradient is established, which depends on the applied current density; the gradient is such that the concentration of H <+> is maximum at the anode (where H <+> is formed) and minimum at the cathode (where H <+> is consumed), as shown in the lower diagram in Figure 1 (the horizontal coordinate in the diagram represents the distance between the cathode, position â € œCâ € on the abscissa axis, and the anode, position â € œA "on the same axis). pH rises to the point of triggering the precipitation of FeP04.
Le reazioni qui sopra esemplificate sono solo una delle possibili coppie redox che possono essere utilizzate per causare l’innalzamento del pH nel volume di soluzione adiacente al catodo; altre reazioni possono essere ricavate da tabelle riportate nei manuali di elettrochimica. The reactions illustrated above are only one of the possible redox pairs that can be used to cause the pH increase in the volume of solution adjacent to the cathode; other reactions can be obtained from tables reported in electrochemistry manuals.
In una seconda forma di realizzazione, il trattamento elettrochimico secondo l’invenzione viene effettuato in una cella elettrochimica, schematizzata nella parte superiore della Fig. 2, separata in due compartimenti attraverso una membrana cationica, 14. Nel compartimento catodico viene introdotta la soluzione 11 derivante dall’operazione di ossidazione precedente, mentre nel compartimento anodico viene introdotta una soluzione diluita di acido fosforico, 15, necessaria per garantire la continuità elettrica del sistema e per avere ioni compatibili con quelli della soluzione 11. In a second embodiment, the electrochemical treatment according to the invention is carried out in an electrochemical cell, schematized in the upper part of Fig. 2, separated into two compartments by a cationic membrane, 14. The solution 11 is introduced into the cathode compartment. deriving from the previous oxidation operation, while a dilute solution of phosphoric acid 15 is introduced into the anodic compartment, necessary to guarantee the electrical continuity of the system and to have ions compatible with those of solution 11.
La membrana 14 consente il passaggio tra le due semicelle solo di ioni positivi, e a causa della grande differenza di mobilità in soluzione e di permeabilità degli ioni H<+>rispetto agli altri cationi, la permeazione dei primi à ̈ di circa due ordini di grandezza superiore a quella degli ultimi, così che di fatto il trasporto ionico in soluzione à ̈ quasi completamente ascrivibile ai soli ioni H<+>. Per la differenza di potenziale esistente tra anodo e catodo, la migrazione degli ioni H<+>avviene dal compartimento anodico a quello catodico. In questo caso, come mostrato schematicamente nel diagramma riportato nella parte inferiore della Fig. 2, la concentrazione dello ione H<+>à ̈ quasi costante all’interno di ogni semicella, mostrando un gradiente sensibile solo neN’intorno degli elettrodi. Poiché in questo caso il “salto†di concentrazione di ione H<+>avviene in gran parte in corrispondenza della membrana (a causa della mobilità di questi ioni maggiore in soluzione che all'interno della membrana stessa, che fa sì che questi vengano rapidamente neutralizzati al catodo non appena entrano nel compartimento catodico), la diminuzione della concentrazione di ione H<+>à ̈ più omogenea nel compartimento catodico rispetto al caso senza membrana; questa diminuzione di concentrazione determina un innalzamento localizzato del pH, che causa la precipitazione dei fosfati in corrispondenza in questo comparto. The membrane 14 allows the passage between the two half-cells only of positive ions, and due to the great difference in mobility in solution and in the permeability of the H <+> ions with respect to the other cations, the permeation of the former is about two orders of magnitude higher than that of the latter, so that in fact the ionic transport in solution is almost completely attributable to the H <+> ions alone. Due to the potential difference existing between anode and cathode, the migration of the H <+> ions occurs from the anodic to the cathode compartment. In this case, as shown schematically in the diagram shown in the lower part of Fig. 2, the concentration of the H <+> ion is almost constant inside each half-cell, showing a sensitive gradient only around the electrodes. Since in this case the `` leap '' of ion concentration H <+> occurs largely in correspondence with the membrane (due to the mobility of these ions greater in solution than inside the membrane itself, which causes these are rapidly neutralized at the cathode as soon as they enter the cathode compartment), the decrease in the concentration of H <+> ion is more homogeneous in the cathode compartment than in the case without a membrane; this decrease in concentration determines a localized increase in pH, which causes the precipitation of phosphates in correspondence in this compartment.
La forma di realizzazione sopra descritta per il caso della cella separata in compartimenti à ̈ facilmente generalizzabile ad un sistema a più elettrodi, in cui siano presenti una serie di elettrodi posti alternativamente a potenziale catodico e anodico; un sistema a più elettrodi di questo tipo consente di lavorare in parallelo su maggiori quantità di soluzione, aumentando così la produttività del metodo. The embodiment described above for the case of the cell separated into compartments can be easily generalized to a system with several electrodes, in which a series of electrodes alternatively placed at cathode and anodic potential are present; a system with several electrodes of this type allows to work in parallel on larger quantities of solution, thus increasing the productivity of the method.
Il metodo di precipitazione elettrochimico à ̈ ideale, perché evita di dover aggiungere altre soluzioni a quella derivata da decapaggio, che porterebbe aN’aumento del volume complessivo di liquidi da trattare e da smaltire, dopo opportuni trattamenti di condizionamento, a fine processo. Operando per questa via, si precipita il componente utile per la vetrificazione (i fosfati, principalmente costituiti da fosfato ferrico più le tracce degli altri fosfati dei metalli originariamente in soluzione, o semplicemente di metalli adsorbiti), nella proporzione ottimale, senza compromettere la qualità del vetro e preservando la soluzione di acido fosforico di partenza per un ulteriore ciclo di decapaggio, cioà ̈ riutilizzando tutti i componenti della scoria originale e i coprodotti del processo; questa via costituisce quindi il metodo ideale per evitare qualsiasi contaminazione secondaria. The electrochemical precipitation method is ideal, because it avoids having to add other solutions to the one derived from pickling, which would lead to an increase in the overall volume of liquids to be treated and disposed of, after appropriate conditioning treatments, at the end of the process. By operating in this way, the component useful for vitrification (the phosphates, mainly consisting of ferric phosphate plus the traces of the other phosphates of the metals originally in solution, or simply of adsorbed metals) is precipitated in the optimal proportion, without compromising the quality of the glass and preserving the starting phosphoric acid solution for a further pickling cycle, ie reusing all the components of the original slag and the co-products of the process; this route is therefore the ideal method to avoid any secondary contamination.
Una volta precipitati i fosfati dalla soluzione, questi possono essere recuperati eliminando la fase liquida soprastante, per esempio per semplice travaso. Se necessario, il precipitato può essere poi centrifugato, per ottenere una migliore separazione dalla fase liquida. La miscela di fosfati umidi viene poi preferibilmente mescolata meccanicamente, per omogeneizzarla. Infatti, durante la fase di precipitazione, à ̈ possibile che i diversi fosfati precipitino a tempi diversi, dando luogo ad un precipitato in cui i differenti fosfati sono stratificati secondo l’ordine di precipitazione. Una fase solida disomogenea così ottenuta potrebbe dar luogo ad un vetro non perfettamente omogeneo: nonostante il precipitato venga sottoposto a fusione, la viscosità del fuso potrebbe essere tale da non consentire l’omogeneizzazione completa durante la fusione, col rischio di ottenere un vetro finale di composizione non perfettamente omogenea e quindi parti dello stesso (soprattutto eventuali parti povere in ferro) che non presentano le caratteristiche richieste dall’applicazione. Once the phosphates have precipitated from the solution, they can be recovered by eliminating the liquid phase above, for example by simple transfer. If necessary, the precipitate can then be centrifuged, to obtain a better separation from the liquid phase. The mixture of wet phosphates is then preferably mechanically mixed, to homogenize it. In fact, during the precipitation phase, it is possible that the different phosphates precipitate at different times, giving rise to a precipitate in which the different phosphates are stratified according to the order of precipitation. An inhomogeneous solid phase thus obtained could give rise to a glass that is not perfectly homogeneous: despite the precipitate being subjected to melting, the viscosity of the melt could be such as not to allow complete homogenization during melting, with the risk of obtaining a glass final composition not perfectly homogeneous and therefore parts of the same (especially any parts poor in iron) that do not have the characteristics required by the application.
Il precipitato viene poi vetrificato, implementando tutte le precauzioni che la presenza di radioattività impone. Tipicamente il precipitato FeP04fonde e vetrifica a temperatura non superiore a 1100 °C. La presenza di altri cationi coprecipitati con il ferro fosfato può generare una fascia termica relativamente ampia entro la quale avviene la vetrificazione, tipicamente compresa tra 800 °C e 1300 °C. The precipitate is then vitrified, implementing all the precautions required by the presence of radioactivity. Typically the FeP04 precipitate melts and vitrifies at a temperature not exceeding 1100 ° C. The presence of other cations co-precipitated with the iron phosphate can generate a relatively wide thermal band within which vitrification takes place, typically between 800 ° C and 1300 ° C.
La fase liquida, contenente ancora notevoli quantità di acido fosforico, e potenzialmente di vari ioni metallici, anche tracce di isotopi radioattivi, viene recuperata con operazioni tipiche dell’arte nota, per esempio per decantazione, e/o centrifugazione e può essere riutilizzata in un ciclo successivo di dissoluzione di parti metalliche e precipitazione di fosfati, previo rabbocco dell’acido fosforico per reintegrare quello consumato nella precipitazione. The liquid phase, still containing considerable quantities of phosphoric acid, and potentially various metal ions, even traces of radioactive isotopes, is recovered with operations typical of the known art, for example by decantation, and / or centrifugation and can be reused in a subsequent cycle of dissolution of metal parts and precipitation of phosphates, after topping up the phosphoric acid to reintegrate that consumed in the precipitation.
Il processo dell’invenzione ottiene così il risultato di smaltire le parti metalliche derivate da decommissioning evitando la necessità di trattare elevati volumi di fasi liquide, tipica dei processi dell'arte nota. Infatti, coi processi dell’arte nota, i volumi di fasi liquide generate sono proporzionali al peso delle parti metalliche stesse (perché per ogni ciclo di trattamento di un'unità di peso di parti metalliche à ̈ necessario impiegare un dato volume di soluzione), mentre nel caso della presente invenzione il volume di fase liquida à ̈ essenzialmente quello necessario per una singola operazione di dissoluzione di un'aliquota di parti metalliche. The process of the invention thus obtains the result of disposing of the metal parts derived from decommissioning avoiding the need to treat high volumes of liquid phases, typical of the processes of the known art. In fact, with the processes of the known art, the volumes of liquid phases generated are proportional to the weight of the metal parts themselves (because for each treatment cycle of a unit of weight of metal parts it is necessary to use a given volume of solution ), while in the case of the present invention the liquid phase volume is essentially that necessary for a single dissolution operation of an aliquot of metal parts.
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2013
- 2013-05-09 WO PCT/IB2013/053753 patent/WO2013168118A2/en not_active Ceased
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Also Published As
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|---|---|
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