Cäsium-Radioisotope effektiv entfernen

Spätestens seit dem Reaktorunglück von Fukushima ist uns „Cäsium-137“ ein Begriff. Koreanische Wissenschaftler stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt ein neues Vanadiumsilikat vor, das Cäsium aus belastetem Kühlwasser, flüssigen nuklearen Abfällen sowie kontaminiertem Grund- und Meerwasser effektiver entfernen kann als herkömmliche Sorbentien.

Das Material ist zudem aus chemischer Sicht interessant, denn es enthält Cäsium-Ionen, die an 16 nächste Nachbarn gebunden sind – die bisher höchste je beobachtete Koordinationszahl.

Unter den Radionukliden ist Cs-137 eines der gefährlichsten. Seine Halbwertszeit liegt bei 30 Jahren, sodass es stark strahlt und kontaminierte Böden lange verseucht bleiben. Die hohe Löslichkeit von Cäsiumsalzen in Wasser begünstigt die Ausbreitung in der Umwelt und die Aufnahme durch Pflanzen.

Nehmen Menschen belastete Nahrung auf, kann der Körper Cäsium nicht von Kalium unterscheiden und speichert es im Muskelgewebe. Größere Menge können eine schwere Strahlenkrankheit auslösen, kleinere Krankheiten wie Krebs auslösen.

Die Entfernung von Cs-137 aus kontaminiertem Grundwasser und Meerwasser sowie aus flüssigen radioaktiven Abfällen aus Wiederaufbereitungsanlagen und Kernenergieanlagen ist entsprechend wichtig. Das Problem ist die vergleichsweise sehr hohe Konzentration konkurrierender Kationen, wie Natrium-, Calcium-, Magnesium- und Kalium-Ionen, die sehr effektive und selektive Cäsium-Fänger erfordert.

Eine Reihe verschiedener anorganischer Materialien wurden bereits entwickelt, allerdings gab es in den letzten 20 Jahren keine wirklichen Fortschritte mehr. Am besten arbeiten bisher kristalline Siliziumtitanate, die auch in Fukushima zum Einsatz kamen.

Kyung Byung Yoon und ein Team von der Sogang University in Seoul haben jetzt neues Material entwickelt, „Sogang University-45“ oder kurz SGU-45, das Cäsium besonders effektiv aus Grundwasser, Meerwasser und flüssigen nuklearen Abfällen bindet und immobilisiert.

Unter den gewählten Testbedingungen zeigte sich SGU-45 im Konzentrationsbereich von 10 ppb bis 100 ppm allen herkömmlichen Mitteln überlegen, was Selektivität, Kapazität und Aufnahmegeschwindigkeit angeht. Anders als bei anderen Materialien nimmt die Selektivität der kaliumhaltigen Variante, K-SGU-45, sogar zu, wenn die Cäsium-Konzentration abnimmt.

SGU-45 ist ein mikroporöses Vanadiumsilikat mit Vanadium-Ionen in den Oxidationsstufen +IV und +V. K-SGU-45 wäre zum Entfernen von Cäsium aus kontaminiertem Grundwasser, Meerwasser sowie stark sauren oder basischen Nuklearabfällen am besten geeignet.

Dabei werden Kalium-Ionen durch Cäsium-Ionen ausgetauscht. Das Gerüst von SGU-45 enthält bereits nicht austauschbare Cäsium-Ionen, die 16-fach koordiniert sind, d.h. sie haben 16 nächste Nachbar-Atome, die an das Cäsium gebunden sind. Diese Beobachtung ist auch von akademischem Interesse, denn dies ist die bisher höchste jemals in der Chemie beobachtete Koordinationszahl (Anzahl der nächsten Nachbarn in einem Kristallgitter oder Komplex).

Angewandte Chemie: Presseinfo 19/2014

Autor: Kyung Byung Yoon, Sogang University, Seoul (Rep. Korea), http://hompi.sogang.ac.kr/zeolite/eyoon.htm

Angewandte Chemie, Permalink to the article: http://dx.doi.org/10.1002/ange.201402778

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