Ioninvaihtomateriaalin kemiallinen ja fysikaalinen karakterisointi ja eri tekijöiden vaikutukset materiaalin rakenteen stabiiliuteen

Abstract

Tämä insinöörityö tehtiin Carrum Oy:lle, joka valmistaa Nures-järjestelmän ioninvaihtimissa käytettäviä ioninvaihdinmateriaaleja. Tavoitteena oli tutkia radioaktiivisen cesiumin poistossa käytettävän ioninvaihdinmateriaalin, CsTreatin, kemiallista rakennetta ja mekaanista kestävyyttä. Lisäksi tavoitteena oli selvittää kirjallisuudesta, mitkä asiat vaikuttavat materiaalin stabiiliuteen sekä selvittää mahdollisia analyysimenetelmiä ioninvaihdinmateriaalin lähtöaineen, syanidin, määritykseen vedestä.

Insinöörityö on kaksiosainen ja sen ensimmäinen osa sisältää kirjallisuusselvityksen. Tähän osuuteen saatiin selvitys ioninvaihdinmateriaalin lähtöaineiden, syanidikompleksien, kemiallisesta käyttäytymisestä sekä kooste analyysimenetelmistä syanidin määrittämiseen vedestä. Syanidi-ioni on erittäin reaktiivinen ja muodostaa helposti erilaisia yhdisteitä. Näiden yhdisteiden stabiiliuteen vaikuttavat lähtöaineet sekä vallitsevat olosuhteet, kuten esimerkiksi pH ja lämpötila. Analyysimenetelmää valittaessa on syytä ottaa huomioon muun muassa analysoitava syanidilaji, mikä asettaa vaatimuksia esimerkiksi näytteiden esikäsittelylle.

Insinöörityön toinen osa sisältää kokeellisen osuuden. Materiaalin kahdelle eri tuotantoerälle määritettiin alkuainejakauma XRF-menetelmällä (X-ray Fluorescence, röntgenfluoresenssi) ja XPS-menetelmällä (X-ray Photoelectron Spectroscopy, röntgenfotoelektronispektroskopia). Verratessa mittaustuloksia eri tuotantoerien välillä havaittiin materiaalin pääraaka-aineiden, raudan ja koboltin, pitoisuuksien olevan hyvin lähellä toisiaan. Kaliumin pitoisuuksissa oli tulosten mukaan eroja erien välillä ja toinen eristä sisälsi pieniä pitoisuuksia alkuaineita, joita toisessa ei havaittu lainkaan.

Ioninvaihtomateriaalin fysikaalista kestävyyttä sekä materiaalin raekoon jakaumaa testattiin ilmasuihkuseulontalaitteella, joka on yrityksen uusi laitehankinta. Seulontakokeiden avulla saatiin tietoa materiaalin raekoon jakaumasta sekä määritettiin laitteelle optimaaliset seulontaparametrit ioninvaihdinmateriaalin seulontaan. Lisäksi saatiin käyttökokemusta laitteesta.

This thesis was commissioned by Carrum Oy, which manufactures ion exchange materials that are used in Nures system and specifically in ion exchangers. The purpose of this thesis was to study CsTreat chemical structure and its mechanical durability. CsTreat is an ion exchange material which is used to remove radioactive cesium from water. Additionally, the purpose of this thesis was to conduct a literary research on factors that affect the stability of the material in question and to find methods to analyze cyanide from water.

The thesis project was conducted in two parts. The first part included a literary research and the second part an experimental phase. During the first part of the thesis project, in-depth literary research data was collected on cyanide complexes and on the factors that affect their chemical stability. A detailed compilation of the cyanide analysis methods was also created as the result of the first part of thesis project. Cyanide ion is highly reactive and creates various compounds relatively easy. The stability of these compounds is affected by source material as well as current conditions such as pH and temperature. It should be noted that the analysis method depends on the cyanide species, and the sample preparation requirements vary accordingly.

The second part of the thesis project was the experimental phase. Two production batches of the ion exchange material were analyzed using the x-ray fluorescence and x-ray photoe-lectron spectroscopy methods. The results showed that when comparing elemental composition between the two production batches, the iron and cobalt concentrations were relatively similar. However, the concentration of potassium varied between the batches. Additionally, one of the batches contained small amounts of elements that were not discovered in the other one.

The mechanical durability of the ion exchange material and the particle size distribution were tested with an air jet sieving machine. The machine used was recently purchased by the company commissioning this thesis. The testing made it possible for the company to specify the optimal parameters for the sieving process of ion exchange material.