Kernenergie blijft wereldwijd groeien, voortgestuwd, gedeeltelijk, door het feit dat het weinig uitstoot van broeikasgassen produceert terwijl het een constant vermogen levert. Maar samen met die uitbreiding komt er een grotere behoefte aan het omgaan met de grote hoeveelheden water die worden gebruikt voor het koelen van deze fabrieken, die besmet raakt met radioactieve isotopen die speciale langdurige verwijdering vereisen.

Nutsvoorzieningen, een aan het MIT ontwikkelde methode biedt een manier om de hoeveelheid verontreinigd water die moet worden afgevoerd aanzienlijk te verminderen, in plaats daarvan concentreren we de verontreinigingen en laten we de rest van het water recyclen door het koelsysteem van de fabriek. Het voorgestelde systeem wordt beschreven in het tijdschrift Milieuwetenschap en -technologie , in een paper van promovendus Mohammad Alkhadra, hoogleraar chemische technologie Martin Bazant, en drie anderen.

De methode maakt gebruik van een proces dat shock-elektrodialyse wordt genoemd, die een elektrisch veld gebruikt om een ​​deïonisatieschokgolf in het water te genereren. De schokgolf duwt de elektrisch geladen deeltjes, of ionen, aan één kant van een buis gevuld met geladen poreus materiaal, zodat een geconcentreerde stroom verontreinigingen kan worden afgescheiden van de rest van het water. De groep ontdekte dat twee radionuclideverontreinigingen - isotopen van kobalt en cesium - selectief kunnen worden verwijderd uit water dat ook boorzuur en lithium bevat. Nadat de waterstroom is gereinigd van zijn kobalt- en cesiumverontreinigingen, het kan worden hergebruikt in de reactor.

Het schokelektrodialyseproces werd oorspronkelijk ontwikkeld door Bazant en zijn medewerkers als een algemene methode om zout uit water te verwijderen. zoals aangetoond in hun eerste schaalbare prototype vier jaar geleden. Nutsvoorzieningen, het team heeft zich gericht op deze meer specifieke toepassing, die zouden kunnen helpen de economische en milieu-impact van werkende kerncentrales te verbeteren. In lopend onderzoek, ze gaan ook door met het ontwikkelen van een systeem voor het verwijderen van andere verontreinigingen, inclusief lood, uit drinkwater.

Het nieuwe systeem is niet alleen goedkoop en schaalbaar tot grote formaten, maar in principe kan het ook een breed scala aan verontreinigingen aan, zegt Bazant. "Het is een enkel apparaat dat een hele reeks scheidingen kan uitvoeren voor elke specifieke toepassing, " hij zegt.

In hun eerdere ontziltingswerk, de onderzoekers gebruikten metingen van de elektrische geleidbaarheid van het water om te bepalen hoeveel zout werd verwijderd. In de jaren daarna, het team heeft andere methoden ontwikkeld om de details van het geconcentreerde radioactieve afval en het gereinigde water te detecteren en te kwantificeren.

"We meten zorgvuldig de samenstelling van alle spullen die in en uit gaan, " zegt Bazan, wie is de EG Roos Hoogleraar Scheikundige Technologie en hoogleraar wiskunde. "Dit opende echt een nieuwe richting voor ons onderzoek." Ze begonnen zich te concentreren op scheidingsprocessen die om gezondheidsredenen nuttig zouden zijn of die zouden resulteren in het concentreren van materiaal met een hoge waarde, hetzij voor hergebruik, hetzij om verwijderingskosten te compenseren.

De methode die ze ontwikkelden werkt voor de ontzilting van zeewater, maar het is een relatief energie-intensief proces voor die toepassing. De energiekosten zijn aanzienlijk lager wanneer de methode wordt gebruikt voor ion-selectieve scheidingen uit verdunde stromen zoals koelwater van kerncentrales. Voor deze toepassing, die ook een dure verwijdering vereist, de methode is economisch zinvol, hij zegt. Het raakt ook beide doelen van het team:omgaan met hoogwaardige materialen en helpen bij het beschermen van de gezondheid. De schaal van de toepassing is ook aanzienlijk:een enkele grote kerncentrale kan ongeveer 10 miljoen kubieke meter water per jaar door het koelsysteem laten circuleren. zegt Alkhadra.

Voor hun tests van het systeem, de onderzoekers gebruikten gesimuleerd nucleair afvalwater op basis van een recept van Mitsubishi Heavy Industries, die het onderzoek sponsorde en een belangrijke bouwer van kerncentrales is. In de teamtests na een scheidingsproces in drie fasen, ze waren in staat om 99,5 procent van de kobaltradionucliden in het water te verwijderen en ongeveer 43 procent van het water in schoongemaakte vorm vast te houden, zodat het opnieuw kon worden gebruikt. Maar liefst tweederde van het water kan worden hergebruikt als het saneringsniveau wordt teruggebracht tot 98,3 procent van de verwijderde verontreinigingen, het team gevonden.

Hoewel de algemene methode veel potentiële toepassingen heeft, de nucleaire afvalwaterscheiding, is "een van de eerste problemen die we denken te kunnen oplossen [met deze methode] waarvoor geen andere oplossing bestaat, " zegt Bazant. Geen andere praktische, continu, economische methode is gevonden voor het scheiden van de radioactieve isotopen van kobalt en cesium, de twee belangrijkste verontreinigingen van nucleair afvalwater, hij voegt toe.

Hoewel de methode kan worden gebruikt voor routinematige opruiming, het kan ook een groot verschil maken bij de behandeling van extremere gevallen, zoals de miljoenen liters verontreinigd water in de beschadigde Fukushima Daichi-centrale in Japan, waar de opeenhoping van dat verontreinigde water de inperkingssystemen dreigt te overweldigen die zijn ontworpen om te voorkomen dat het naar de aangrenzende Stille Oceaan lekt. Hoewel het nieuwe systeem tot nu toe alleen op veel kleinere schaal is getest, Bazant zegt dat dergelijke grootschalige decontaminatiesystemen op basis van deze methode mogelijk "binnen een paar jaar" mogelijk zijn.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.