Alle 13:00 ora locale del 24 agosto 2023, la centrale nucleare giapponese di Fukushima Daiichi ha avviato lo scarico in mare di acqua contaminata dal nucleare. Ciò ha suscitato grande preoccupazione in tutto il mondo. L'ambasciatore cinese in Giappone, Wu Jianghao, ha presentato una solenne protesta al governo giapponese per lo scarico in mare di acqua contaminata dal nucleare di Fukushima; Amministrazione generale delle dogane cinese: sospensione totale delle importazioni di prodotti acquatici giapponesi; Primo ministro sudcoreano: la Corea del Sud manterrà invariato il divieto di importazione di prodotti acquatici giapponesi di Fukushima.
Le acque reflue nucleari, come suggerisce il nome, sono acque reflue contenenti radioattività. Come le acque reflue altamente radioattive prodotte in incidenti nucleari con perdite, o l'acqua di raffreddamento a diretto contatto con il combustibile nucleare. Gli esperti affermano che le acque reflue nucleari non sono equivalenti alle acque reflue nucleari. Le acque reflue nucleari sono ancora più pericolose, poiché contengono 64 tipi di sostanze radioattive nucleari, tra cui il trizio.
Le acque reflue nucleari contengono molti elementi radioattivi, come uranio, plutonio, cesio, stronzio, iodio e cobalto. Alcuni di essi hanno lunghe emivite, come l'emivita dell'uranio-238, che è di 4.5 miliardi di anni, e l'emivita del plutonio-239, che è di 24,000 anni. Questi elementi radioattivi rappresentano gravi rischi per l'organismo umano e per l'ambiente, come cancerogenicità, teratogenicità e mutagenicità. A seconda delle diverse fonti e circostanze, le concentrazioni e le proporzioni dei vari elementi radioattivi nelle acque reflue nucleari variano, ma solitamente superano di gran lunga gli standard internazionali e i limiti di sicurezza.
Se le acque reflue nucleari vengono scaricate nell'ambiente senza un adeguato trattamento, avranno un grave impatto sull'ecosistema e sulla salute umana. Le sostanze radioattive possono essere trasmesse attraverso l'acqua, il suolo, l'aria, la catena alimentare, ecc., con conseguente aumento delle dosi di radiazioni negli organismi, con conseguente insorgenza di diverse malattie e mutazioni genetiche. Pertanto, il trattamento e lo smaltimento delle acque reflue nucleari devono rispettare rigorosi standard e norme di sicurezza per evitare possibili perdite e incidenti.
Le tecnologie di trattamento delle acque reflue nucleari comunemente utilizzate in diversi paesi sono le seguenti:
- Metodo di precipitazione chimica
Il metodo di precipitazione chimica è un metodo che prevede la coprecipitazione dell'agente precipitante e delle tracce di radionuclidi presenti nelle acque reflue. Idrossidi, carbonati, fosfati e altri composti radioattivi presenti nelle acque reflue sono per lo più insolubili e pertanto possono essere rimossi durante il trattamento. Lo scopo del trattamento chimico è quello di trasferire e concentrare i radionuclidi presenti nelle acque reflue in un piccolo volume di fango, in modo che le acque reflue depositate presentino poca radioattività residua e siano conformi agli standard di scarico.
I vantaggi di questo metodo sono il basso costo, la buona rimozione dei radionuclidi logaritmici e la possibilità di trattare componenti non radioattivi e le loro concentrazioni, nonché acque reflue fluidizzate con una fluidizzazione considerevole. Gli impianti e le tecnologie di trattamento utilizzati vantano un'esperienza consolidata.
Attualmente, i precipitanti più comunemente utilizzati sono sali di ferro, sali di alluminio, fosfati e soda. Per favorire il processo di coagulazione, vengono aggiunti coadiuvanti della coagulazione come argilla, silice attivata ed elettroliti polimerici. Per cesio, rutenio, iodio e altri nuclidi radioattivi concentrati difficili da rimuovere, è necessario utilizzare precipitanti chimici specifici. Ad esempio, il cesio può essere rimosso mediante coprecipitazione di ferrocianuro ferrico e ferrocianuro di rame. Alcuni utilizzano xantato di amido insolubile per trattare acque reflue radioattive contenenti metalli. L'efficacia del trattamento è buona, l'applicabilità è ampia e il tasso di rimozione radioattiva è superiore al 90%. Si tratta di un flocculante a scambio ionico con prestazioni eccellenti. Poiché non vi è alcun residuo di solfuro durante il trattamento delle acque reflue, è più adatto al trattamento delle acque reflue.
- Metodo di scambio ionico
Molti radionuclidi vengono ionizzati nell'acqua, in particolare nelle acque reflue radioattive dopo il trattamento di precipitazione chimica. A causa della rimozione dei radionuclidi sospesi e colloidali, ciò che rimane sono specie quasi ioniche, la maggior parte delle quali sono cationi. Inoltre, i radionuclidi sono presenti in piccole quantità nell'acqua, quindi sono molto adatti al trattamento a scambio ionico e, in assenza di interferenze da ioni non radioattivi, lo scambio ionico può funzionare efficacemente a lungo. La maggior parte delle resine a scambio cationico ha un'elevata capacità di rimozione e una grande capacità di scambio per lo stronzio radioattivo. La resina cationica fenolica può rimuovere efficacemente il cesio radioattivo, mentre la resina cationica microporosa può non solo rimuovere i cationi radioattivi, ma anche rimuovere zirconio, niobio, cobalto sotto forma di colloidi e rutenio sotto forma di complessi tramite adsorbimento. Tuttavia, questa legge presenta una debolezza fatale. Quando il contenuto di nuclidi radioattivi o ioni non radioattivi nel liquido di scarico è elevato, il letto di resina penetra rapidamente e diventa inutilizzabile. Solitamente la resina utilizzata per trattare le acque reflue radioattive non viene rigenerata, quindi quando si rompe deve essere sostituita immediatamente.
Il metodo di scambio ionico utilizza resine a scambio ionico, adatte a reflui liquidi a basso contenuto salino. Quando il contenuto salino è elevato, il costo del trattamento con resine a scambio ionico è superiore a quello del processo selettivo. Ciò è dovuto principalmente alla bassa selettività della resina, che presenta un'elevata correlazione con i radionuclidi. Nella purificazione delle acque reflue radioattive, l'uso dell'elettrodialisi può aumentare l'efficienza di utilizzo del processo di scambio ionico.
- Metodo di assorbimento
L'adsorbimento è un metodo efficace per rimuovere gli ioni di metalli pesanti dall'acqua utilizzando sostanze solide porose per adsorbirli e rimuoverli. La tecnologia chiave del metodo di adsorbimento è la scelta dell'adsorbente. Gli adsorbenti comunemente utilizzati sono carbone attivo, zeolite, caolino, bentonite, argilla, ecc. Tra questi, la zeolite è economica, sicura e facile da reperire. Rispetto ad altri adsorbenti inorganici, la zeolite ha una maggiore capacità di adsorbimento e un migliore effetto purificante. La capacità di purificazione della zeolite è 10 volte superiore a quella di altri adsorbenti inorganici, il che la rende un agente di trattamento delle acque molto competitivo. Viene spesso utilizzata come adsorbente nei processi di trattamento delle acque e funge anche da scambiatore ionico e agente filtrante.
Il carbone attivo ha una forte capacità di adsorbimento e un'elevata velocità di rimozione, ma l'efficienza di rigenerazione del carbone attivo è bassa e la qualità dell'acqua trattata difficilmente soddisfa i requisiti di riutilizzo. Il prezzo è elevato e l'applicazione è limitata. Negli ultimi anni, è stata gradualmente sviluppata una varietà di materiali adsorbenti con capacità di adsorbimento. Studi pertinenti hanno dimostrato che il chitosano e i suoi derivati sono buoni adsorbenti per gli ioni di metalli pesanti. Dopo la reticolazione, la resina di chitosano può essere riutilizzata più volte senza ridurre significativamente la capacità di adsorbimento. L'utilizzo di sepiolite modificata per il trattamento delle acque reflue contenenti metalli pesanti presenta una buona capacità di adsorbimento per Co e Ag e il contenuto di metalli pesanti nelle acque reflue trattate è significativamente inferiore allo standard complessivo per gli scarichi fognari.
- Evaporazione e concentrazione
Il metodo di concentrazione evaporativa presenta un elevato fattore di concentrazione e un elevato fattore di purificazione, ed è utilizzato principalmente per il trattamento di acque reflue radioattive di media e alta attività. Il principio di funzionamento del metodo di evaporazione è il seguente: le acque reflue radioattive vengono inviate al dispositivo di evaporazione e, contemporaneamente, viene introdotto vapore acqueo per evaporare l'acqua in vapore acqueo, mentre i radionuclidi rimangono nell'acqua. L'acqua condensata formata durante il processo di evaporazione viene scaricata o riutilizzata e il liquido concentrato viene ulteriormente solidificato. Il metodo di concentrazione evaporativa non è adatto al trattamento di acque reflue contenenti nuclidi volatili e che tendono facilmente a formare schiuma; consuma molta energia termica e ha costi operativi elevati; allo stesso tempo, potenziali minacce come corrosione, incrostazioni ed esplosioni devono essere considerate in fase di progettazione e funzionamento. Per migliorare l'utilizzo del vapore e ridurre i costi operativi, i paesi hanno profuso sforzi straordinari nello sviluppo di nuovi evaporatori, come gli evaporatori a compressione di vapore, gli evaporatori a film sottile, gli evaporatori sotto vuoto e altri nuovi evaporatori, che hanno ottenuto risultati notevoli.
- Tecnologia di separazione a membrana
La tecnologia a membrana è un metodo relativamente efficiente, economico e affidabile per il trattamento delle acque reflue radioattive. Poiché la tecnologia di separazione a membrana offre una buona qualità dell'effluente, nessun cambiamento di fase dei materiali e un basso consumo energetico, è oggetto di intensa ricerca.
Le tecnologie a membrana utilizzate all'estero includono: microfiltrazione, ultrafiltrazione, nanofiltrazione , filtrazione con membrane polimeriche idrosolubili, osmosi inversa (RO), elettrodialisi, distillazione a membrana, scambio ionico elettrochimico, membrane liquide, separazione con membrane di filtrazione ad adsorbimento di ferrite e membrane di carta a scambio anionico e altri metodi.
La schiuma di melammina è un substrato di filtrazione organica netta tridimensionale stabile su scala nanometrica, con pori di dimensioni fino a 1 nm, capacità fino a 0.297 cc/g e tasso di apertura dei pori fino al 98%. Può raggiungere un assorbimento e una filtrazione efficienti delle acque reflue nucleari, anche con l'aggiunta della maggior parte dei tipi di adsorbenti.
- Trattamento biologico
I metodi di trattamento biologico includono il fitorimedio e i metodi microbici. Il fitorimedio si riferisce a una nuova tecnologia di trattamento in situ che utilizza piante verdi e i loro microrganismi indigeni della rizosfera per lavorare insieme per rimuovere gli inquinanti dall'ambiente.
Dai risultati delle ricerche esistenti, le tipologie di tecnologie di biorisanamento applicabili includono principalmente la tecnologia delle zone umide artificiali, la tecnologia di filtrazione della rizosfera, la tecnologia di estrazione, la tecnologia di solidificazione e la tecnologia di evaporazione. I risultati dei test mostrano che quasi tutto l'uranio presente nel corpo idrico può essere arricchito nelle radici delle piante.
Il trattamento microbiologico delle acque reflue a bassa radioattività è una nuova tecnologia che ha iniziato a essere studiata negli anni '1960. Sono stati condotti alcuni studi sulla rimozione dell'uranio dalle acque reflue radioattive con questo metodo in patria e all'estero, ma la maggior parte di essi è attualmente in fase di ricerca sperimentale.
Con lo sviluppo della biotecnologia e lo studio approfondito dei meccanismi di interazione tra microrganismi e metalli, si è gradualmente compreso che l'uso di microrganismi per trattare l'inquinamento radioattivo delle acque reflue è un metodo molto promettente. Le cellule microbiche vengono utilizzate come agenti di trattamento biologico per assorbire, arricchire e recuperare radionuclidi come l'uranio in soluzione acquosa, con elevata efficienza, bassi costi e basso consumo energetico. Inoltre, l'assenza di inquinanti secondari permette di raggiungere l'obiettivo di riduzione dei rifiuti radioattivi e di creare condizioni favorevoli per la rigenerazione o lo smaltimento geologico dei nuclidi.
- Metodo della magnetomolecola
L'Electric Power Research Institute (EPRI) degli Stati Uniti ha sviluppato il metodo Mag-Mole-clue per ridurre la quantità di rifiuti radioattivi generati, come stronzio, cesio e cobalto. Il metodo si basa su una proteina chiamata ferritina, modificata per utilizzare molecole magnetiche per legare selettivamente i contaminanti, che vengono poi rimossi dalla soluzione mediante magneti, e i metalli legati vengono poi recuperati mediante controlavaggio del letto filtrante magnetico. La ferritina è una proteina multiunità multifunzionale altamente conservata, comunemente presente negli organismi viventi, che presenta le caratteristiche peculiari di resistenza agli acidi diluiti (pH < 2.0), alle basi diluite (pH = 12.0) e alle temperature più elevate (invarianti fino a 70-75 °C di temperatura dell'acqua). Con l'approfondimento della ricerca sulla ferritina, sono stati compiuti grandi progressi nello studio di nuove funzioni in vitro utilizzando il nanospazio del suo guscio proteico. Studi in vitro hanno dimostrato che la ferritina ha la capacità di immagazzinare ioni di metalli pesanti in vitro. Inoltre, studi precedenti si sono concentrati sul meccanismo di accumulo e rilascio del ferro dalla ferritina, utilizzando altri ioni di metalli pesanti come sonde che competono con gli ioni ferro. Al contrario, studi recenti hanno dimostrato che questa proprietà della ferritina di catturare gli ioni metallici e di essere resistente all'inversione può essere sfruttata per costruire un reattore di ferritina e utilizzarlo sul campo per il monitoraggio continuo del grado di contaminazione delle acque correnti da parte di ioni di metalli pesanti. In specifiche condizioni in vitro, alcuni nuclei metallici, come nuclei di FeS, nuclei di CdS, nuclei di Mn3O4, nuclei di ferro magnetico Fe3O4 e nuclei di uranio di materiali radioattivi, sono stati assemblati con successo nello spazio nanometrico degli involucri proteici della ferritina.
- Metodo di polimerizzazione inerte
La Pennsylvania State University e il Savannah River National Laboratory hanno sviluppato un nuovo metodo per trattare alcuni liquidi di scarto a basso livello di radioattività in una forma solidificata per uno smaltimento sicuro. Questo nuovo processo utilizza un metodo di coagulazione a bassa temperatura (< 90 °C) per stabilizzare i liquidi di scarto radioattivi altamente alcalini e a bassa attività, ovvero per convertire i liquidi di scarto in un corpo solidificato inerte. Gli scienziati hanno chiamato il corpo polimerizzato finale "idroceramica" (una ceramica porosa cotta a biscotto). Affermano che il corpo solidificato finale è molto duro, stabile e durevole, e può fissare i radionuclidi nella sua struttura zeolitica. Questo processo di preparazione è simile al processo di formazione delle rocce in natura.
- Tecnologia della parete di reazione di percolazione del ferro zero-valente
La barriera reattiva permeabile (PRB) è un metodo emergente in paesi sviluppati come Europa e Stati Uniti per la rimozione in situ di componenti inquinanti presenti nelle acque sotterranee inquinate. Le PRB sono generalmente installate in falde acquifere sotterranee, perpendicolarmente alla direzione del flusso delle acque sotterranee. Quando le acque sotterranee inquinate fluiscono attraverso la barriera di reazione sotto l'azione del proprio gradiente idraulico, gli inquinanti vengono rimossi tramite reazioni fisiche e chimiche con i materiali di reazione presenti nella barriera, in modo da raggiungere l'obiettivo di bonifica dell'inquinamento.
Si tratta di una tecnica di ripristino passivo che richiede poca manutenzione ed è poco costosa. Essendo un importante ramo della tecnologia PRB, la tecnologia FeO-PRB è stata studiata e sviluppata in molti paesi e in molti aspetti del trattamento dell'inquinamento delle acque sotterranee. Risultati incoraggianti sono stati ottenuti nello studio del meccanismo di reazione, della struttura e dell'installazione dei PRB e nello studio di nuovi materiali attivi. Gli studiosi cinesi hanno iniziato a studiare la tecnologia delle pareti di percolazione attiva, rappresentata dal ferro zerovalente, per la bonifica (trattamento) delle acque reflue radioattive derivanti da scorie di uranio, e la ricerca attuale ha raggiunto risultati significativi.
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