Technická zpráva
Migrace aktinidů a jódu v přírodním prostředí Závěrečná zpráva
P. Beneš, K. Štamberg, D. Vopálka, J. Mizera, J. Dolanský, G. Masnerová, B. Drtinová ČVUT - fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská
Listopad 2003
Správa úložišť radioaktivních odpadů
Formátování a korektury textů Správa úložišť radioaktivních odpadů, 2004
Obsah 1
Zhodnocení a výběr metod analýzy komplexace kationtů kovů huminovými látkami .....................................................................................................................3 1.1 Dialýza...............................................................................................................3 1.2 Elektroforéza .....................................................................................................5 1.3 Iontová výměna .................................................................................................5 1.4 Ultrafiltrace........................................................................................................8 1.5 Gelová permeační chromatografie (GPC) .......................................................12 1.6 Acidobazická titrace ........................................................................................17 1.7 Srovnání výsledků dosažených použitými metodami .....................................21 2 Určení rovnovážných a kinetických parametrů interakce europia s huminovými látkami ...........................................................................................24 3 Studium distribuce a transportu uranu...................................................................32 3.1 Charakterizace vzorku .....................................................................................32 3.2 Studium sorpce uranu na odpadních materiálech ............................................35 3.3 Dynamické experimenty..................................................................................44 3.4 Modelování interakce uranu v systému hlušinový materiál + modelová přírodní voda ...................................................................................................45 4 Literatura ...............................................................................................................47
1
Shrnutí V měsících březen až duben 2002 byla uzavřena mezi ČR – Správou úložišť radioaktivních odpadů jako objednatelem a ČVUT – Fakultou jadernou a fyzikálně inženýrskou (FJFI) jako dodavatelem smlouva na zhotovení výzkumné zprávy v rozsahu daném přílohou č. 1 smlouvy. Zpráva se měla týkat účasti pracovníků FJFI na projektu HUPA rámcového programu EU, jehož cílem bylo kvantifikovat vliv huminových látek na speciaci a transport aktinidů a jódu v podzemních vodách ve vztahu k bezpečnosti úložišť RAO. V tomto projektu pracovníci FJFI řešili tři dílčí části, specifikované v příloze č. 1 smlouvy takto: 1. Zhodnocení a výběr metod analýzy komplexace kationtů kovů huminovými látkami 2. Určení rovnovážných s huminovými látkami
a
kinetických
parametrů
interakce
europia
3. Studium distribuce a transportu uranu v systému voda obsahující huminové látky – přírodní pevná fáze vsádkovými a kolonovými experimenty, získání dat pro hodnocení vlivu huminových látek na migraci uranu s použitím matematických modelů Podrobný program prací při řešení projektu byl uveden ve Výstupu č. 1 vyžádaném smlouvou. Další Výstup č. 2 presentoval přehled metod pro analýzu komplexace radionuklidů s huminovými látkami. Oba výstupy byly součástí první průběžné zprávy o plnění smlouvy z května 2002. Další průběžná zpráva z listopadu 2002 obsahovala Výstup č. 3, zhodnocení výsledků dosažených během roku 2002. Obsahem třetí průběžné zprávy z května 2003 byl Výstup č. 4, nazvaný Zhodnocení a srovnání vybraných metod analýzy komplexace radionuklidů s huminovými látkami, a Výstup č. 5, přehled provedených experimentů a získaných dat do května 2003. Účelem této závěrečné zprávy, která je podle přílohy č. 1 smlovy Výstupem č. 6, není opakovat všechny dosud získané poznatky a závěry, pouze je shrnout a doplnit o výsledky a poznatky dosažené od května 2003 do listopadu 2003. Je třeba zdůraznit, že závěrečná zpráva neuzavírá řešení zadaných problémů, neboť práce na projektu HUPA dále pokračuje a připravují se publikace výsledků v Technické zprávě projektu HUPA i v odborných časopisech. Jeden z rukopisů, nacházející se ve stadiu recenze v časopise Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, je přílohou této zprávy, ostatní budou dohotoveny později. Další experimenty a jejich vyhodnocení jsou plánovány na poslední rok řešení projektu HUPA (1.11.2003 – 31.10.2004). Text zprávy je strukturován podle dílčích problematik specifikovaných výše.
2
1
Zhodnocení a výběr metod analýzy komplexace kationtů kovů huminovými látkami
Důvodem zadání této části úkolu byla skutečnost, že metoda analýzy může mít vliv na charakterizaci a popis komplexace, protože buď může ovlivnit primární data, např. stanovený stupeň komplexace, nebo ovlivnit použitelnost vyvozených parametrů, popisujících komplexaci. O tom svědčí značné rozdíly mezi publikovanými daty a parametry pro srovnatelné systémy, dosažené různými metodami. Proto bylo rozhodnuto provést experimentální studium komplexace, porovnat výsledky dosažené různými metodami a podrobněji studovat možnosti a omezení vybraných metod. Zvoleným přístupem bylo porovnání výsledků stanovení stupně komplexace v systému Eu(III) – huminová kyselina Aldrich (dále označována jako HA) ve vodném roztoku různými metodami za stejných nebo srovnatelných podmínek: složení roztoku, teplota aj. Tyto podmínky byly podrobně popsány ve Výstupu č. 3. Zvoleny byly metody dostupné na pracovišti zhotovitele, výběr použitých metod vyšel i z přehledu, předaného zadavateli ve formě Výstupu č. 2. Výsledky měly být v rámci programu EU HUPA srovnány i s výsledky jiných metod, získanými v rámci mezisrovnání na zahraničních pracovištích se stejným systémem. Takové srovnání však nebylo možné provést, neboť zahraniční účastníci programu takové výsledky nedodali, ač od nás obdrželi pro mezisrovnání vzorky stejné huminové kyseliny. Dále jsou popsány stručně výsledky a poznatky získané s použitím jednotlivých metod, rozebrány možnosti a limity jednotlivých metod a nakonec je provedeno přehledné srovnání stupně zakomplexování Eu huminovou kyselinou zjištěného jednotlivými metodami a z něho jsou vyvozeny další závěry o jednotlivých metodách.
1.1
Dialýza
Pro realizaci a ověření dialýzy byla zvolena metoda rovnovážné dialýzy. Ta předpokládá, že po ustavení rovnováhy obsahuje rezervoár s HA kov ve formě humátového komplexu a v nízkomolekulárních formách, jejichž koncentrace je shodná s koncentrací kovu ve druhém rezervoáru, neobsahujícím HA. Srovnáním celkových koncentrací kovu v obou rezervoárech lze vypočítat stupeň komplexace kovu s HA (%MHA = 100 (C1 – C2)/C1 , kde C1 a C2 jsou koncentrace kovu v reservoáru s HA a bez HA). Nejprve byly provedeny experimenty metodou jednoduché rovnovážné dialýzy s poměrem objemů rezervoárů 1:1 a 20:1. V obou případech byly zjištěné výsledky zatíženy velkými chybami vyplývajícími z pomalého ustavení rovnováhy při dialýze, z velkých ztrát Eu sorpcí na stěnách rezervoárů a na membráně, a z průniku HA přes membránu (viz Výstup č.3). Proto byly další experimenty provedeny v novém uspořádání s jinou membránou a při poměru objemů rezervoárů 230:3 nebo 230:6. Výhodou vysokého poměru je zanedbatelný posun rovnováhy v sledovaném systému v důsledku difúze části nízkomolekulárních forem kovu do rezervoáru bez HA, jehož objem je malý. K experimentům byla použita membrána Spektra/Por Biotech CE (hodnota cut-off 500 Da) ve tvaru trubice o průměru asi 10 mm, délce 10-12 cm, na obou koncích
3
uzavřené svorkami z polypropylenu. Takto vytvořený dialyzační rezervoár (vak) byl plněn 3 ml roztoku o stejném pH a složení jako měl roztok ve vnějším rezervoáru (dialyzační nádobě), ale bez HA a Eu. Podrobnosti provedení a vyhodnocení experimentů jsou uvedeny ve Výstupu č. 4, kde jsou též presentovány hlavní výsledky v číselné formě. Byla hledána odpověď na základní otázky důležité pro správné vyhodnocení dialýzy: (a)
Jaká je velikost průniku humátového komplexu přes membránu? Významný průnik komplexu by narušil princip dialýzy, založený na separaci nezakomplexovaných forem Eu difúzí přes membránu. Měřením absorbance v dialyzačních vacích bylo zjištěno, že až na několik výjimek byl průnik HA membránou zanedbatelný.
(b)
Jaká doba dialýzy je potřebná k ustavení rovnováhy v systému? Srovnání hodnot průniku Eu membránou po 6 dnech a po 12 dnech dialýzy prokázalo, že v 7 případech z 12 jsou tyto hodnoty v rámci experimentální chyby stejné, v dalších případech je nárůst od 6 do 12 dnů jen malý. Proto jako výsledné hodnoty průniku byly vzaty buď hodnoty průniku po 12 dnech dialýzy nebo průměr hodnot pro 6 a 12 dní. O správnosti tohoto postupu svědčí i výsledky studia dialýzy 8×10-7 M Eu3+ bez přítomnosti HA, při nichž za 6 dnů dialýzy v použitém uspořádání prošlo do vaku 93% Eu a po 12 dnech se koncentrace na obou stranách membrány zcela vyrovnaly. Vzhledem k tomu, že v některých případech nelze vyloučit možný další malý růst průniku s časem i po dvanácti dnech dialýzy, je možno vypočtené hodnoty %EuHA vypočtené z průniku po 6-12 dnech dialýzy považovat za maximální možné.
(c)
Jaké jsou sorpční ztráty Eu a HA na stěnách dialyzační nádoby a na dialyzačním vaku a jaký je jejich vliv na vyhodnocení dialýzy? Zjištěné sorpční ztráty, do nichž lze zahrnout i případné vysrážení EuHA na stěnách dialyzačního systému, značně kolísaly v závislosti na složení roztoku (0 – 89,3 %) a většinou rostly až do 13 dnů od namíchání roztoku. Za 6 dní dialýzy tedy nebyla ustavena sorpční rovnováha. Vliv sorpce na vyhodnocení dialýzy by měl záviset na tom, jaké formy Eu se sorbují. Pokud jde hlavně (nebo alespoň významně) o ionty Eu3+, musela by se sorpce brát v úvahu, protože v jejím důsledku by klesla koncentrace Eu3+ dostupná pro dialýzu. Jestliže se sorbuje převážně Eu ve formě EuHA, lze předpokládat, že nasorbovaný komplex zůstává v rovnováze s roztokem, takže se koncentrace dialyzovatelné formy (Eu3+) nemění. Pak je správnější sorpční ztráty nebrat v úvahu. Výsledky dialýzy Eu prokázaly, že nastává druhý případ. Proto byla pro výpočet %EuHA podle výše uvedeného vztahu za C1 brána hodnota výchozí koncentrace (aktivity) Eu v dialyzační nádobě, nikoliv hodnota v roztoku při skončení dialýzy. Správnost tohoto postupu, který je významným novým metodickým výsledkem, byla potvrzena srovnáním výsledků dialýzy s výsledky jiných metod (viz dále).
Při studiu dialýzy bylo zjištěno, že stárnutí roztoku při předekvilibraci nemá významný vliv na průnik Eu při dialýze. Kinetika tvorby komplexu EuHA je dostatečně rychlá a vzhledem k poměru objemů vaku a okolní nádoby ani nemůže dojít k posunu rovnováhy, který by mohl být ovlivněn stářím komplexu. Je však třeba říci, že možnost
4
studia vlivu stáří roztoku na tvorbu humátových komplexů je pro časy kratší než asi týden omezena pomalým ustavením rovnováhy při dialýze, která se proto pro tento účel nehodí.
1.2
Elektroforéza
Principem metody je stanovení efektivní elektroforetické pohyblivosti založené na separaci různě nabitých forem Eu jejich migrací v elektrickém poli. Elektromigrace Eu byla sledována radiostopovací metodou s použitím aparatury sestávající ze tří oddělených částí (anodické, střední a katodické), tj. trubic spojených dvoucestnými kohouty. Aparatura je naplněna studovaným roztokem Eu, ve všech třech částech stejného složení až na radioindikaci (152,154Eu) ve střední části. Na základě rozdělení takto radioindikovaného pohyblivého rozhraní vlivem elektrického pole lze vypočítat elektroforetickou pohyblivost Eu v katodickém či anodickém směru. Na základě poklesu katodické pohyblivosti Eu v přítomnosti komplexujícího činidla (HA) ve srovnání s pohyblivostí volného kationtu Eu3+ lze stanovit stupeň zakomplexování Eu, anodická pohyblivost poskytuje informaci o negativním náboji komplexu EuHA. Podrobný popis metody spolu s výsledky stanovení elektroforetické pohyblivosti Eu za přítomnosti HA a výpočtem zastoupení EuHA (%EuHA) byly uvedeny v příloze 1 třetí průběžné zprávy o plnění smlouvy ve květnu 2003, která byla mezitím publikována v první technické zprávě projektu HUPA [1]. Výpočet podílu Eu ve formě EuHA na základě katodické elektroforetické pohyblivosti není bez komplikací. Předpokládá, že tyto komplexy nenesou kladný náboj, a že separace rozdílně nabitých forem Eu (Eu3+ vs. EuHAx-) elektromigrací je rychlejší než současně probíhající izotopová výměna. Zanedbává se také přítomnost ostatních forem Eu bez ohledu na jejich náboj (karbonátových a/nebo hydroxokomplexů, pseudokoloidů). Stanovená elektroforetická pohyblivost může být ovlivněna výraznějšími sorpčními ztrátami Eu na stěnách aparatury. Ty jsou sice poměrně snadno zjištěny a zahrnuty do výpočtu pohyblivosti, ale vzhledem k neurčité kinetice sorpce snižují přesnost výsledku. Rozbor chyb a výsledky presentované ve výše uvedené příloze a práci [1] ukázaly, že chyby stanovení %EuHA touto metodou jsou přijatelné. Největším problémem může být vliv izotopové výměny, který může vést ke snížení elektroforetické pohyblivosti Eu a k nadhodnocení %EuHA, zejména při vysokém stupni obsazení (% loading) HA europiem. Lze tedy říci, že hodnoty %EuHA zjištěné elektroforézou představují maximálně možné hodnoty. Studium vlivu doby kontaktu Eu s HA (stáří roztoku, 1 a 7 dní) na elektroforetickou pohyblivost Eu zjistilo, že tento vliv je zanedbatelný.
1.3
Iontová výměna
Použití měničů iontů ke studiu komplexace kovů s huminovými látkami je založeno buď na aplikaci katexů, nebo - což je méně časté - na aplikaci anexů. Jak jsme uvedli v předcházejících zprávách, zvolen byl silně kyselý katex Amberlite IR-120 v Na+ formě a tzv. statická metoda spočívající v tom, že experimenty jsou prováděny v míchaném reaktoru (v našem případě bylo míchání realizováno na třepačce). Připomeňme, že základním předpokladem použití měniče kationtů je to, že na funkční
5
skupiny katexu se sorbují pouze kationické formy Mz+ a po dosažení rovnováhy zůstávají v roztoku: Mz+ (rovnovážná koncentrace vůči katexu i vůči přítomným anionickým ligandům), anionické komplexy o koncentraci MHA a volné anionické ligandy HA. K vyhodnocení takového systému, resp. rovnovážných experimentálních dat, je zapotřebí znát rovnovážnou izotermu sorpce Mz+ na daný katex bez přítomnosti HA, která platí pro dané podmínky – především pro danou iontovou sílu. Obecné způsoby a metodické postupy vyhodnocení experimentálních dat, s cílem získání hodnot konstant stability sledovaných komplexačních reakcí, byly popsány již v předcházející zprávě. Z té je dále patrné, že v našem případě, na rozdíl od klasických přístupů publikovaných v literatuře, byl studován – vedle vlivu iontové síly a pH – vliv veličiny označené %Loading a doby předekvilibrace Eu(III) s HA na stupeň komplexace europia s HA (%EuHA) a následně na hodnoty konstant stability (Kcnm). V podstatě byly provedeny dvě skupiny pokusů, kterými byl sledován vliv stanovení závislosti procenta sorpce Eu(III) jednak na počáteční koncentraci huminové kyseliny, HA0 (= 2-60 mg/l, Eu0 = 1×10-5 M), jednak na počáteční koncentraci Eu(III), Eu0 (= 1×10-5– 5×10-4 M, HA0 = 10 mg/l), za současného stanovení vlivu pH (4 a 6), doby předekvilibrace Eu(III) s HA (24 a 168 hodin) a iontové síly (I = 0,1 a 0,01). Primárním experimentálním výsledkem byla koncentrace europia v roztoku, tzn., součet kationické a zakomplexované formy, CEuΣ (= EuHA + Eu3+), odpovídající výchozím reakčním podmínkám daného experimentálního bodu, jako funkce jednak HA0, jednak Eu0. Vyhodnocení experimentálních dat spočívalo v tom, že nejdříve, pro každý experimentální bod zvlášť, byly vypočítány koncentrace: kationické formy europia, Eu3+, komplexu EuHA a volné huminové kyseliny HAfree. Následně pak parametry charakterizující komplexaci Eu(III), jako jsou: procento zakomplexování Eu(III) (%EuHA = 100.EuHA/CEuΣ), procento tzv. “loading HA” (%Loading = 100.CEuΣ/(HA0.PEC/3), kde PEC je “proton exchange capacity” HA, PEC = 7 mol/kg HA), procento nekomplexované (volné) HA (%HAfree = 100.(HA0.PEC/3 – EuHA)/(HA0.PEC/3)), konstanta stability podle “charge neutralization model”, Kcnm = EuHA/(Eu3+.HAfree)), frakce Eu(III) zachycená na katexu (=FQEu), frakce Eu(III) ve formě EuHA (=FEuHA) a Eu3+ (=FEu) – platí, že FQEu + FEuHA + FEu = 1. (Později – při zpracování výsledků pro publikaci - se uvažuje o zařazení výpočtu konstant stability KMMWM , korespondující s komplexačním modelem, který jsme označili jako Mean Molecular Weight Model [2].) Výsledky obou skupin pokusů byly diskutovány a demonstrovány v předcházejících zprávách; připomeňme, že v případě obou skupin pokusů bylo zjištěno, že dominantní vliv na stupeň komplexace mají pH, iontová síla a %Loading, zatímco vliv předekvilibrace byl ve většině experimentů malý, či nevýznamný. V předcházející zprávě bylo též diskutováno specifikum ionexové metody spočívající v tom, že celková koncentrace CEuΣ (=EuHA + Eu3+), používaná k výpočtu veličiny “loading HA” (%Loading), není totožná s počáteční koncentrací europia Eu0, jako tomu je v případě ostatních studovaných metod, neboť větší či menší část europia se zachytí na měniči kationtů. Zachycené množství je závislé nejen na tvaru sorpční izotermy, ale také na počáteční koncentraci Eu0, poměru fází (roztok/ionex), iontové síle, koncentraci huminové kyseliny, pH a na konstantě stability komplexační reakce Eu(III) + HA.
6
Přitom celková koncentrace HA zůstává na počáteční hodnotě (HA0). Z toho vyplývá, že nastavení podmínek komplexace pro zadanou hodnotu %Loading bylo značně obtížné. Z tohoto důvodu jsme hodnoty komplexace (%EuHA) pro zadané hodnoty %Loading (= 1, 10 a 50 %), pH (4 a 6), I (0,01 a 0,1) a dobu předekvilibrace (24 a 168 h) počítali pomocí hodnot konstant stability, Kcnm, získaných z prvé skupiny pokusů. Důvodem pro použití Kcnm z prvé skupiny pokusů bylo, že jejich hodnoty byly pro celý interval HA0 v podstatě konstantní (viz Obr. 1), i když pro jednotlivé vstupní podmínky (pH, I) různé – srovnej Tabulku 3 v předcházející zprávě. Z porovnání s ostatními metodami však vyplynulo, že zvláště pro %Loading = 50 % jsou vypočítané hodnoty %EuHA výrazně vyšší, než odpovídající hodnoty stanovené především dialýzou. Za jeden z pravděpodobných důvodů nesouhlasu bylo možno pokládat závislost Kcnm na koncentraci Eu0, resp. CEuΣ (= EuHA + Eu3+), která byla zjištěna u druhé skupiny pokusů (viz Obr. 2).
Obr. 1 - log Kc = f(HA) – prvá skupina pokusů
Obr. 2 - log Kc = f(logCEuΣ) – druhá skupina pokusů
7
Proto byl proveden výpočet hledaných hodnot znovu, tentokráte s použitím zjištěné závislosti Kcnm (≡ Kc) na logCEuΣ. Jak je zřejmé z Obr. 2, tato závislost byla úspěšně fitována metodou lineární regrese rovnicí přímky. Fitování bylo provedeno pro všechny pokusy druhé skupiny a výsledné rovnice, jejichž parametry včetně hodnot regresních koeficientů jsou shrnuty dále v Tabulce 3, byly použity pro výpočet %EuHA = f(%Loading) – výsledky jsou v Tabulce 2.
1.4
Ultrafiltrace
Metoda studia komplexace používající separace Eu3+ a EuHA ultrafiltrací a výsledky s ní získané do 15.5.2003 byly podrobně popsány v 3. průběžné zprávě z května 2003. V téže zprávě byly získané výsledky srovnány s výsledky dialýzy, elektroforézy a iontové výměny. Ukázalo se, že metoda ultrafiltrace dává značně odlišné výsledky, hodnoty %EuHA byly většinou vyšší než hodnoty získané ostatními metodami s výjimkou iontové výměny. To bylo vysvětleno částečnou neprůchodností použitého ultrafiltru pro formy Eu nevázané HA. Tento výsledek byl překvapivý a proto bylo rozhodnuto jej ověřit, což bylo umožněno prodloužením odpovídající etapy projektu EU HUPA. Přitom bylo také možné podrobněji ověřit některé aspekty použité metodiky a doplnit data pro nejnižší koncentraci Eu (2,3×10-7 M, 1% loading), která dříve nebyla stanovena. K doplňkovému studiu byly použity 2 typy ultrafiltru: Millipore YC05 (acetát celulózy, hodnota cut-off 500 Da ) a Millipore PLAC 04310 (regenerovaná celulóza, hodnota cutoff 1kDa ). Zde je třeba říci , že první filtr byl použit již při předchozích experimentech, nikoliv filtr druhý, jak je chybně uvedeno v předchozí zprávě. Způsob přípravy roztoků a postup jejich filtrace byly stejné jako dříve, až na některé detaily uvedené níže. Při kontrole účinnosti desorpce Eu u stěn cely a z filtru se ukázalo, že 15 minut desorpce nestačí, desorpce proto byla prodloužena na 2 hodiny při neustálém míchání. Desorpce Eu z prostoru pod filtrem původně prováděná mícháním 50 ml 0,1M šťavelanu sodného v cele bez filtru 15 min byla nahrazena 1x opakovanou desorpcí dolní části cely 5 ml 1M HCl po dobu 15 min a 60 min. Účinnost takovéto desorpce je mnohem vyšší a nemůže při ní docházet k desorpci předtím případně nedesorbovatelného Eu z cely nad filtrem. V souvislosti s těmito změnami byl změněn i způsob vyhodnocení zadržení Eu při ultrafiltraci. Relativní zadržení Eu v cele v procentech (% Z) bylo počítáno dvěma různými vztahy. První z nich vyhodnocuje zadržení z aktivity Eu prošlého ultrafiltrem a zahrnuje korekci na sorpci Eu v prostoru pod filtrem: %Z1 = 100 – 100 ( a4 + 5a1 + 5a6 ) / a1.Vf
(1)
Druhý vztah je založen na vyhodnocení aktivity zbylé v cele po ultrafiltraci : %Z2 = 100 – 100 {a1V1- a2(V1-Vf –Vx)}/ a1( Vf + Vx)
8
(2)
Zde a1 je aktivita (1 ml) roztoku v cele po 2 h předekvilibraci, a2 je aktivita roztoku v cele po ukončené filtraci, a3 je aktivita desorpčního roztoku šťavelanu sodného po desorpci, a4 je celková aktivita profiltrovaného roztoku, a5 a a6 jsou aktivity roztoku 1M HCl po první a druhé desorpci prostoru pod filtrem, V1, Vf a Vx jsou objem roztoku v cele na začátku ultrafiltrace (48 ml), celkový objem filtrátu a objem cely pod filtrem.Ve všech experimentech byla počítána bilance aktivity srovnáním původní aktivity vnesené do cely se součtem nalezených aktivit. Byla studována ultrafiltrace roztoků Eu značených 152Eu , o koncentraci Eu 2,3×10-7, 2,3×10-6, 1,15×10-5 mol/l , pH 4 nebo 6, I = 0,1 nebo 0,01 (NaClO4) a stáří 24 hodin, z nichž polovina obsahovala HA v koncentraci 10 mg/l, druhá nikoliv. Podrobné vyhodnocení 60 experimentů provedených za podmínek srovnatelných s podmínkami experimentů při dialýze a elektroforéze ukázalo, že : (a)
Bilance aktivity ve velké části experimentů vykazovala odchylky od předpokládaných 100 % , které nebylo možno vysvětlit chybami měření, tj. docházelo ke ztrátám aktivity, patrně neúplnou desorpcí Eu se stěn cely (včetně míchadla), nebo naopak k uvolňování aktivity, patrně desorpcí Eu sorbovaného při předcházejím pokusu. Maximální rozsah hodnot bilance byl 85 – 108 %, větší frekvence odchylek byla směrem dolů, tj. ke ztrátám aktivity. S růstem koncentrace Eu (2,3×10-7 → 2,3×10-6 → 1,15×10-5 mol/l, loading 1%, 10 % a 50 % ) se odchylky od 100 % obecně snižují, přičemž závisí i na přítomnosti HA a použitém filtru: pro loading 10 a 50 % jsou odchylky významné jen za přítomnosti HA a použití filtru 500 Da. Tyto skutečnosti ukazují na poměrně složitý vliv sorpce, která závisí na složení roztoku a provádění ultrafiltrace. Protože odchylky v bilanci indikují možné chyby při vyhodnocení ultrafiltrace, byla sorpce při ultrafiltraci podobně sledována jednak vyhodnocením dílčích měřených aktivit a1 - a6, jednak měřením aktivity ultrafiltrů před i po jejich desorpci šťavelanem, jednak měřením aktivity dna ultrafiltrační cely.
(b)
Sorpční ztráty Eu při předekvilibraci roztoku se stěnami cely a filtrem před začátkem ultrafiltrace se pohybovaly od 0 do 37,5 % , přičemž byly většinou vyšší v roztocích neobsahujících HA než v roztocích s 10 mg HA/ml (0 – 12,5 %). Vliv pH a iontové síly na sorpční ztráty byl jiný v roztocích s HA než bez HA, což lze vysvětlit odlišnou speciací Eu v těchto roztocích. Lišil se i vliv koncentrace Eu, který však nevykazoval jasnou tendenci a závisel i na pH a iontové síle. Poměrně nízká sorpce Eu z roztoku obsahujícího HA by neměla výrazně ovlivňovat interpretovatelnost výsledků ultrafiltrace, protože posun rovnováhy mezi formami Eu v roztoku v důsledku sorpce může být jen malý a pokud se sorbuje EuHA, zůstává patrně v rovnováze s Eu3+ v roztoku, podobně jak bylo prokázáno při dialýze. Desorpce Eu roztokem šťavelanu po skončení ultrafiltrace však prokázala, že během vlastní ultrafiltrace může docházet k dodatečné sorpci Eu na stěnách cely (a samozřejmě míchadle). Při většině experimentů totiž aktivita desorbovaná z cely a ultrafiltru (a3) výrazně převyšovala aktivitu sorbovanou při
9
předekvilibraci (a0 – a1, kde a0 je aktivita roztoku při jeho plnění do cely). Převýšení dosahovalo desítek až tisíc procent, rostlo s rostoucí koncentrací Eu a s přídavkem HA. Porovnání aktivity filtrů po skončení ultrafiltrace s desorbovanou aktivitou ukázalo, že na filtru se sorbuje většinou jenom malá část Eu (1,7 - 29 % z desorbované aktivity). Při ultrafiltraci roztoku obsahujícího HA je tento podíl vyšší (7 – 60 %) než při ultrafiltraci bez přítomnosti HA (1,7 – 20 %). Patrně filtr více sorbuje EuHA než anorganické formy Eu (Eu3+, pseudokoloidy Eu). Tyto poznatky jsou jednak zajímavé, jednak mají význam pro interpretaci výsledků ultrafiltrace (viz níže). Dodatečná sorpce Eu na stěnách cely je překvapivá, neboť při předběžných experimentech bylo zjištěno, že sorpce roste jen během prvních 1 – 2 hodin míchání v cele a dále se nemění (G. Masnerová, nepublikované výsledky). Pokusili jsme se zjistit případný vliv zvýšení tlaku na sorpci, ale kontrolní experimenty provedené v cele uzavřené PE folií takový důvod nepotvrdily. Lze tedy jen předpokládat, že důvodem dodatečné sorpce je vzrůst koncentrace Eu v cele při ultrafiltraci, ale vzhledem k malému možnému nakoncentrování (do 20 %) je i takové vysvětlení málo pravděpodobné. Malý podíl ultrafiltru na záchytu Eu sorpcí je rovněž překvapivý, neboť se všeobecně předpokládá, že největší sorpce stopových prvků při ultrafiltraci nastává právě na filtru. (c)
Aktivita filtrátu se prakticky ve všech experimentech měnila s objemem profiltrovaného vzorku (1 – 10 ml). Při ultrafiltraci bývá zpočátku pozorován nárůst aktivity, který vyplývá z postupného poklesu sorpce stopového prvku na filtru a pod ním. Takovýto průběh aktivity byl pozorován při předchozích experimentech (viz 3. průběžnou zprávu) a při části zde popisovaných experimentů, u některých experimentů bylo pozorováno jen více či méně výrazné kolísání aktivity. Významná část experimentů však se vyznačovala výrazným poklesem aktivity filtrátu v prvních 2 – 3 frakcích (tj. mezi 1. – 3. frakcí), dále se aktivita neměnila nebo pozvolna rostla. Šlo zejména o experimenty s roztoky obsahujícími HA a nízké koncentrace Eu (loading 1 a 10 %), ojediněle i s roztoky bez HA ultrafitrovanými přes filtr 500 Da. Vysvětlení počátečního poklesu aktivity filtrátu je velmi obtížné. Mohlo by jít o pomalou změnu propustnosti nebo utěsnění filtru na začátku experimentu působením tlaku. Pro to by svědčily rozdíly pozorované mezi oběma typy filtrů – u filtru 1 kDa pokles nastával jen za přítomnosti HA a byl trochu odlišný. Další důvod může spočívat v přechodné disociaci EuHA působením tlakového šoku nebo ve vzrůstu sorpce Eu3+ v cele na počátku ultrafiltrace. Prokázání těchto možností však není jednoduché. V každém případě změny aktivity filtrátu s průtokem ztěžují interpretaci výsledků ultrafiltrace.
(d)
10
Opakovaná desorpce Eu sorbovaného na dně cely pod filtrem roztokem 1M HCl byla účinná, což prokázal významný pokles aktivity desorpčního roztoku mezi první a druhou desorpcí. Z porovnání desorbované aktivity a celkové aktivity prošlé filtrem vyplynulo, že podíl Eu sorbujícího se na dně cely a vývodní trubičce byl většinou menší než 20 % Eu prošlého filtrem. Tento podíl byl větší
pod filtrem 500 Da a klesal s růstem koncentrace Eu. Správné stanovení desorbované aktivity má význam pro výpočet % Z1. (e)
Hodnoty %Z1 a %Z2 získané výpočtem pomocí rovnic (1) a (2) se téměř u všech experimentů značně lišily, přičemž %Z1 bylo vesměs vyšší. Hlavní důvodem byly sorpční ztráty Eu v cele při ultrafiltraci, které vedly ke snížení hodnoty a2 a tedy i %Z2. Když byly do výpočtu %Z2 zahrnuty i aktivity ztracené sorpcí na cele (případně i filtru), odvozené z deficitu bilance aktivity a z převýšení desorpce (srovnej výše), snížil se rozdíl mezi %Z1 a %Z2 na několik málo procent. Z tohoto důvodu je další hodnocení výsledků založeno na zjištěných hodnotách %Z1, jejichž stanovení je sorpčními ztrátami ovlivněno méně.
Vliv sorpčních ztrát Eu nad ultrafiltrem a na něm by mohl být významný pro stanovení %Z1 v případě, kdyby se výrazně sorbovaly anorganické formy Eu, např.Eu3+. Potom by průnik Eu ultrafiltrem neodrážel zastoupení Eu3+ a %Z1 by bylo nadhodnoceno. Sorpce komplexních forem Eu (EuHA) neprocházejících ultrafiltrem by na %Z1 neměla mít vliv za předpokladu, že tyto formy zůstávají v rovnováze s Eu3+v roztoku, podobně jak bylo zjištěno při dialýze. Dalším problémem při vyhodnocování %Z1 je variabilita průniku aktivity s objemem filtrátu, diskutovaná výše (ad 3) . Pokud dochází k nárůstu aktivity, jde pravděpodobně o efekt sorpce Eu pod filtrem, který je uvažován ve vzorci pro %Z1 a proto by neměl mít na hodnoty %Z1 významný vliv. V případě výrazného poklesu aktivity na počátku utrafiltrace však jeho příčina není jasná a započtení vysokých počátečních průniků Eu do výpočtu %Z1 může vést k podhodnocení %Z1. Přibližným výpočtem bylo zjištěno, že takové podhodnocení by pro naměřené aktivity činilo nejvýše několik procent a navíc může být kompenzováno výše zmíněnou sorpcí Eu3+ nad filtrem. Proto nebyl použit způsob výpočtu aplikovaný námi dříve (viz 3.průběžnou zprávu), při němž byly první frakce ultrafiltrátu vyloučeny z výpočtu. Takový způsob výpočtu by také znemožnil přesné zahrnutí korekce na sorpci pod filtrem. Hodnoty %Z1 získané pro zadané podmínky za přítomnosti a nepřítomnosti HA jsou uvedeny v Tabulce 1. Jednoznačně z nich vyplývá, že Eu je významně zadržováno oběma ultrafiltry i v nepřítomnosti HA, kdy hlavní formou Eu v roztoku za daných podmínek (pH, I) by měl být ion Eu3+, případně pseudokoloidy vzniklé sorpcí Eu3+ na koloidních a větších částicích pevné fáze přítomných jako nečistoty v roztoku. Při nejnižší koncentraci Eu dosahuje zadržení Eu ultrafiltrem 500 Da více než 90% . Zadržení ultrafiltrem 1 kDa je většinou menší, což svědčí o alespoň částečném zadržování Eu3+, neboť pseudokoloidy Eu jsou bezpochyby tak velké, že jejich záchyt oběma ultrafiltry by měl být stejný. O zadržení Eu3+ svědčí i poměrně vysoké hodnoty %Z1 při nejvyšší koncentraci Eu, kdy by se pseudokoloidy prakticky neměly tvořit. Sorpce Eu3+ na nečistotách totiž klesá s růstem koncentrace Eu, což vysvětluje i nižší zadržení Eu při jeho koncentraci vyšší než 2,3x10-7 mol/l. Pro potvrzení možnosti zadržení nízkomolekulárních forem Eu byly provedeny experimenty, při nichž byla sledována ultrafiltrace Eu v roztoku 0,1M šťavelanu sodného, kde je sorpce Eu na nečistotách zcela potlačena. Filtr 500 Da zadržoval 86% Eu, filtr 1 kDa 39% Eu.
11
[Eu]0 (M) 2.3e-7
UF
pH 4 , I = 0.01
pH 4 , I = 0.1
pH 6 , I = 0.01
pH 6 , I = 0.1
500 Da
93.8 (92.4)
94.1 (90.9)
92.2 (94.7)
93.8 (92.6)
-7
1kDa
80.0 (51.7)
79.7 (73.1)
90.9 (82.7)
94.1 (82.9)
-6
2.3e
500 Da
92.3 (79.1)
88.5 (21.6)
94.6 (28.9)
88.3 (79.9)
2.3e-6
1kDa
64.9 (16.7)
27.9 (17.0)
73.1 (21.7)
71.4 (32.2)
-5
500 Da
86.4 (74.0)
44.8 (75.9)
21.6 (41.8)
31.0 (44.3)
-5
1 kDa
62.1 (11.8)
26.5 (79.4)
43.0 (44.9)
41.8 (41.4)
2.3e
1.15e 1.15e
Tab. 1 - Hodnoty %Z1 pro ultrafiltraci Eu v roztoku obsahujícím 10 mg/l HA a v roztoku bez HA (v závorce) Zadržení Eu z předekvilibrovaného roztoku obsahujícího 10 mg/l HA je sice většinou větší než z roztoku bez HA, rozdíly však jsou často malé a v některých případech je poměr obou zadržení dokonce menší než 1. Za těchto okolností nelze jednoduše předpokládat, že %Z1 je zde rovno zastoupení humátového komplexu %EuHA. I kdybychom tak ale učinili, vychází takové zastoupení výrazně nižší než zastoupení zjištěné dialýzou a elektroforézou (s několika málo výjimkami). Důvody těchto rozporů nejsou jasné. Studium průniku huminové kyseliny oběma filtry v samostatných experimentech i měřením absorbance ultrafiltrovaných roztoků Eu ukázalo, že tento průnik je většinou natolik nízký, že nemůže vysvětlit nízké hodnoty zadržení Eu za přítomnosti HA. Z výše uvedených zjištění lze vyvodit, že ultrafiltrace v použitém uspořádání neposkytuje výsledky, dostatečně přesně charakterizující vazbu Eu použitou huminovou kyselinou. Důvody byly částečně objasněny, řada diskrepancí však zůstává nejasná. To platí i o malé reprodukovatelnosti výsledků ultrafiltrace, která vyplynula z velkých rozdílů výsledků některých opakovaných experimentů a také z porovnání s dříve popsanými výsledky (3.průběžná zpráva). Je třeba říci, že použitá metodika umožnila minimalizaci některých komplikací při ultrafiltraci (např. posun rovnováhy v roztoku) a kontrolu (kvantifikaci) dalších komplikací (sorpční ztráty, jejich distribuce aj.). Běžně používané metodiky ultrafiltrace to často neumožňují. Proto výsledky zde popsané dovolují lépe charakterizovat problémy spojené s použitím a vyhodnocením ultrafiltrace. Pokud někteří autoři popsali bezproblémové použití této metodiky, buď zde popsané problémy ignorovali, nebo pracovali se systémem, kde se komplikace neprojevují, např. s radionuklidem, který se z daného roztoku prakticky nesorbuje. Na intenzitu projevu komplikací také mohou mít vliv použitá cela a ultrafiltr. Tento vliv jsme však šíře nemohli zkoumat. Kromě toho je nepravděpodobné, že by se našel ultrafiltr a cela, které by vykazovaly nulovou sorpci vůči širšímu spektru radionuklidů.
1.5
Gelová permeační chromatografie (GPC)
Původním cílem studia bylo porovnat výsledky získané GPC s výsledky několika vybraných metod za dohodnutých standardních podmínek (pH, iontová síla, poměr koncentrací reaktantů). Již počáteční vyhledávací experimety však ukázaly, že u této metody nelze dohodnuté podmínky dodržet, vzhledem k zásadnímu chromatografickému požadavku – docílit účinné separace, které za zadaných hodnot pH nebylo možné dosáhnout. Proto byly cíle studia pozměněny na ověření použitelnosti GPC ke studiu komplexačních rovnováh radionuklid – huminová kyselina a zjištění podmínek, které je při použití metody třeba dodržet. Byla vybrána t.zv. Hummel – Dreyerova modifikace [3], jež má oproti běžně používaným uspořádáním GPC výhodu
12
v tom, že během experimentu je koncentrace kovu udržována na vhodné konstantní úrovni, takže komplex i huminová kyselina jsou v celém průběhu separace v dynamické rovnováze s „volným“ iontem kovu. Kombinace této metody s GPC, kde je dělení v ideálním případě řízeno jen rozdílem velikostí separovaných molekul („size-exclusion mechanism“), slibovala, že komplexační rovnováha nebude porušena interakcí s pevnou fází gelu. Studium proběhlo ve třech etapách, využívajících různého uspořádání metody: 1) Nízkotlaká GPC na koloně SEPHADEX G-15 2) Vysokotlaká HPLC-GPC se stanovením Eu atomovou absorpční spektrometrií (AAS) 3) HPLC-GPC se stanovením Eu radiostopovací metodou. 1.5.2 Etapa 1. Výsledky této etapy (stanovení konstant komplexace europia s HA Hummel Dreyerovou metodou v nízkotlakém uspořádání na koloně SEPHADEX G-15) byly shrnuty ve Výstupu č.3. Pro pH 5 (iontová síla 0,01, NaClO4) byla zjištěna komplexační konstanta cK = (1,0 ± 0,25)×105, pro pH 5,5 (iontová síla 0,01, NaClO4) byla stanovena hodnota cK = (2,44 ± 0,46)×105. Studie ukázala, že podmínky účinného chromatografického dělení a použitý způsob stanovení Eu zužují použití metody pro europium na koloně SEPHADEX G-15 na citrátový pufr o nejvyšší koncentraci 3×10–3 mol/l, iontovou sílu 0,01 (NaClO4) a pH 5-5,5. Nižší pH nebylo možno použít kvůli nízké rozpustnosti HA, vyšší pH kvůli nedokonalému dělení forem Eu. Nedokonalé dělení reakční směsi bylo po porovnání se speciačními výpočty vysvětleno uplatněním slabé iontovýměnné funkce gelu a iontovou exkluzí záporně nabitých forem (citrátových komplexů) europia. 1.5.3 Etapa 2. Výsledky studia komplexace europia s HA Hummel - Dreyerovou metodou v HPLC uspořádání se stanovením Eu pomocí AAS byly shrnuty ve Výstupu č.4. Sestava pro kapalinovou chromatografii byla tvořena kolonou (byly použity čtyři kolony s různým složením gelu - Ultrahydrogel 120 (7,8 × 300 mm), dvě glycidylmetakrylátové kolony GMB 200 (8 × 250 mm a 4 × 125 mm), and TSK-GEL kolona G3000SWXL (7,8 × 300 mm) ), detektorem Hewlett-Packard UV/VIS 1100, přístrojem pro odplynění mobilní fáze X-Act JourResearch, HPLC pumpou Delta Chrom SDS030, zařízením pro přesné nadávkování vzorku Rheodyne 7725i a kolektorem frakcí Lab PRO. Chromatografický proces byl řízen programem CSW (Chromatography Station for Windows firmy DataApex s.r.o.) na počítači DeltaChrom (PentiumMMX166, 32 MB RAM. Byly odebírány frakce a množství Eu v jednotlivých frakcích bylo stanoveno plamennou AAS resp. OES na přístroji Varian SpectrAA – 200 s vyhodnocením programem SpectrAA200. Zároveň s odběrem frakcí byla sledována koncentrace HA UV/VIS detektorem při 254 nm. Experimentální postup je popsán ve Výstupu č. 4.
13
Byla testována účinnost dělení reakční směsi za různých podmínek (koncentrace reakčních složek, koncentrace pufru, pH, iontová síla, průtok, objem a koncentrace vzorku). Na základě zkušeností z nízkotlaké gelové permeační chromatografie na SEPHADEXU (viz Výstup č. 3) byl v první fázi použit citrátový pufr o maximální koncentraci 3×10–3 mol/l, iontová síla 0,1 až 0,01 (NaClO4) a pH 5-6. Ve srovnání s nízkotlakým uspořádáním HPLC bohužel nerozšiřuje rozsah použitelných experimentálních podmínek ( s výjimkou širšího možného rozsahu iontové síly). Nezlepšila se ani účinnost dělení komplexu EuHA od „volného“ Eu. Tyto kolony, konstruované na dělení směsí makromolekulárních látek, částečně dělí i frakce HA resp. EuHA, v závislosti na podmínkách experimentu (pH, iontové síle, konc. pufru, konc. vzorku, průtoku mobilní fáze). V této etapě se nepodařilo najít vhodné podmínky pro účinné dělení zón EuHA od Eu (resp. citrátových komplexů Eu - neutrálního EuCit a záporně nabitých EuHCit22- a EuCit23- a Eu3+.). Účinné dělení je základním předpokladem použití Hummel – Dreyerovy metody a důkazem, že je zachována rovnováha komplexu s konstantní koncentrací kovu. Další komplikací je, že na studovaných kolonách dochází k reversibilní sorpci HA. Důkazem je roztažený tvar příslušného chromatografického píku. Snažili jsme se sorpci kvantifikovat, ale je to prakticky nemožné. Hlavním problémem ve 2.etapě bylo, že v HPLC uspořádání s odebíráním frakcí při nižších objemech dávkovaných vzorků (v nichž už nelze zvýšit koncentraci HA kvůli její omezené rozpustnosti) AAS resp. OES metoda svou citlivostí nepostačovala. Proto jsme přešli na stanovení europia radiostopovací metodou. 1.5.4 Etapa 3. Jak vzorek, tak mobilní fáze byly značeny stopovačem 152,154 Eu. Byly použity stejné kolony a stejná mobilní fáze jako ve etapě 2. Po odběru frakcí byla jejich aktivita měřena analyzátorem JKA300 (firmy EMPOS spol. s r.o.) a z poklesu aktivity v zóně „volného“ europia bylo spočteno množství vzniklého komplexu EuHA, QEuAHA. Z této hodnoty byla spočtena interakční konstanta cK komplexu EuHA, definovaná v rovnici (5).
c
K=
[ EuHA] [ Eu 3+ ] ( HA) celk .
(3)
V zóně odpovídající pozitivnímu píku je koncentrace volného kovu konstantní, tedy i součin cK [Eu3+ ] je konstantní: c
K [ Eu 3+ ] =
[ EuHA] = konst. ( HA)
( 4)
Je-li ∆V celkový objem zóny odpovídající kladnému píku EuAHA, pak [ EuHA ] ∆V Q EuHA = = konst . ( HA ) ∆V Q HA 14
(5)
QHA v rovnici (5) je množství volné HA v zóně kladného píku. Za předpokladu, že QEuHA je ve srovnání s celkovým množstvím HA v nástřiku nízké (jinými slovy, pokud je množství kovu vázaného na HA zanedbatelné proti množství HA v nástřiku), rovná se QHA celkovému množství HA v nástřiku . Pak má rovnice pro cK tvar K přesnějšímu stanovení hodnoty QEuHA byla použita varianta Hummel – Dreyerovy metody, kterou navrhl Parsons [4]. Jeho metoda spočívá ve sledování závislosti Q EuHA (6 ) [ Eu 3 + ] Q HA (původně graficky) velikosti píku odpovídajícího „volnému“ kovu na přebytku daného kovu nad úroveň jeho koncentrace v mobilní fázi [Eu]0 ve vzorku s konstantním celkovým množstvím HA (viz Obr. 3). Množství Eu vázaného na HA je dáno průsečíkem přímky uvedené závislosti s osou E, tedy pro nulovou hodnotu velikosti píku. c
K =
Obr. 3 Schematické znázornění principu Parsonsovy metody S ... velikost píku kovu, vyjádřená v molech E ... přebytek kovu ve vzorku (jeho výpočet viz dále) Q = QEuHA ... množství Eu vázaného na HA Použití této metody je možné, pokud velikost kladného píku u vnějšího objemu kolony V0 je konstantní pro všechna přidaná množství interního standardu a je ověřena platnost rovnice S = QEu - Q0 - QHA Kde
(7)
Q Eu je množství Eu v dávkovaném vzorku (v nástřiku) Q0 = V . [Eu]0
15
V je objem dávkovaného vzorku [Eu]0je koncentrace kovu v mobilní fázi QHA je množství kovu vázaného na HA Potom pro QEu = Q0
je
S = - QEuHA (záporný pík).
Když vyjádříme přebytek kovu ve vzorku jako E = QEu - Q0 , pak rovnice (7) je ve tvaru S = E - QEuHA
(8)
Grafem závislosti S = f(E) je tedy přímka s jednotkovou směrnicí, protínající osu E v bodě QEuHA a osu S v bodě - QEuHA . Radiostopovací metoda potvrdila závěry z nízkotlakých experimentů na koloně SEPHADEX G-15: účinnost dělení závisí na náboji a koncentracích nízkomolekulárních forem europia, protože eluci negativně nabitých citrátových komplexů urychluje iontová exkluze. To má za následek horší dělení dokonce i při HPLC –SEC. Dále radiostopovací metoda prokázala sorpci Eu na všech použitých kolonách (gelech) a isotopovou výměnu stopovače 152,154 Eu s neaktivním Eu sorbovaným na koloně. Pro získání konstantních podmínek experimentu musely být všechny použité kolony dostatečně dlouho ekvilibrovány mobilní fází se stopovačem. Nejlepšího dělení bylo dosaženo na Ultrahydrogelu a glycidylmetakrylátových kolonách GMB při pH5, I = 0,01 (NaClO4) , koncentraci citrátového pufru 0,001mol/l a 1×10-5 mol/l celkové koncentraci Eu. TSK kolona je vhodná k dělení frakcí HA při vyšším pH, pro Hummel-Dreyerovu metodu vhodná není. Menší eluční objemy a tedy kratší doba kontaktu reakčních složek při HPLC-GPC mohou být další příčinou horšího dělení. V některých případech (krátká kolona, vysoký průtok mobilní fáze), nemusí komplexační reakce dospět do rovnováhy dřív, než EuHA zóna vyjde z kolony. Z dané studie vyplývají následující požadavky a podmínky, které je nutné dodržet: (a)
16
Gel by měl exkludovat EuHA a HA, nebo alespoň účinně oddělit zóny EuHA a HA od zóny nízkomolekulárních forem Eu. Separaci zón negativně ovlivňuje iontová exkluze, která urychluje pohyb záporně nabitých citrátových komplexů europia na všech použitých kolonách. Porovnání speciačních výpočtů (programem PHREEQC) s dělicí účinností ukázalo, že snížení pH od 7 do 4 potlačuje koncentraci citrátových anionických komplexů europia. Zároveň ale také způsobuje zpomalení HA a EuHA adsorpcí na gelu. Urychlení nízkomolekulárních komplexů Eu lze také potlačit snížením koncentrace citrátového pufru, ale při jeho koncentraci menší než 0,001mol/l začíná být
nedostatečnou pufrační kapacita. Optimalizací těchto nežádoucích vlivů výběrem gelu, pufru, pH, iontové síly a koncentrace Eu lze nalézt vhodné podmínky pro účinné dělení, avšak rozsah použitelnosti metody je tím silně omezen. (b)
Během separace je třeba udržovat konstantní koncentraci Eu3+, proto musí být zajištěna dostatečná pufrační kapacita (koncentrace) pufru.
(c)
Je třeba udržovat přebytek HA vůči Eu, aby se změna její koncentrace reakcí dala zanedbat. Nízká rozpustnost HA a její vysoká sorpce při nízkých pH redukují rozsah vhodných experimentálních podmínek. Dávkování příliš velkých množství roztoků HA má za následek protáhlé píky (chvostování) a tedy nedostatečnou separaci.
(d)
Komplexační reakce musí dosáhnout rovnováhy dřív, než EuHA zóna opustí kolonu. Dodržení tohoto požadavku je za daných experimentálních možností prakticky nemožné ověřit. Proto může Hummel-Dreyerova metoda poskytovat údaje jen o první rychlé fázi komplexace. Je nezbytné získat o procesu komplexace za daných podmínek více kinetických údajů.
(e)
Hodnoty cK závisí na hodnotách tabelovaných konstant charakterizujících disociaci pufru a stabilitu komplexů Eu s pufrem, použitých pro výpočet koncentrace Eu3+.
(f)
Množství vzniklého komplexu EuHA musí být dostatečné, vzhledem k citlivosti použité analytické metody. Použití AAS silně zužuje rozsah použitelných experimentálních podmínek a je omezeno pouze na nízkotlakou GPC na kolonách typu SEPHADEX. Metoda vede ke zředění vzorku, proto lze pracovat jen s vyššími koncentracemi Eu a HA, přitom rozpustnost HA se snížením pH silně klesá. Vysokotlaká HPLC-GPC v kombinaci s radiostopovací metodou umožňuje nástřik i koncentraci Eu i HA snížit.
Hlavní závěr studie je v tom, že prokazuje neplatnost všeobecně přijímaného předpokladu, že interakce vzorku s gelem lze při použití GPC zanedbat. Tak zvané „non size-exclusion effects“ – iontová exkluze a sorpce - drasticky redukují použitelnost metody (rozsah experimentálních podmínek) a neúměrně zvyšují nejistotu stanovení interakčních konstant. Interakční konstanty získané Hummel-Dreyerovou metodou jsou však alespoň řádově srovnatelné s interakčními konstantami Eu s různými huminovými kyselinami získanými jinými metodami.
1.6
Acidobazická titrace
Stanovení stupně komplexace Eu-HA, resp. hodnot konstant stability vybraných komplexačních reakcí, potenciometrickou titrací je založeno na rozdílném průběhu titrací jednak samotné huminové kyseliny, jednak její směsi s Eu(III) roztokem NaOH. Jestliže v prvém případě se jedná pouze o neutralizační reakce, konkrétně o neutralizaci volné silné kyseliny, např. HClO4, jako zbytku po přípravě roztoku HA, a neutralizaci funkčních karboxylických a fenolických skupin HA, ve druhém případě se jedná navíc o neutralizaci volné kyseliny, např. HNO3, uvolněné komplexačními reakcemi
17
Eu(III)+HA, o tvorbu hydroxokomplexů a v konečné fázi o srážení Eu(III). Podstatné je, že vše se děje v závislosti na pH, které se postupně zvyšuje, a které také ovlivňuje průběh komplexačních a následně dekomplexačních reakcí Eu(III) s HA. Na experimentální titrační křivce směsi Eu(III)+HA se zachytí též srážení Eu(OH)3, které je charakterizováno více či méně výraznou prodlevou a hodnotou pH vyznačující její začátek. Je důležité, aby tato prodleva byla experimentálně zachycena, neboť její poloha je funkcí průběhu komplexačních reakcí, resp. hodnot příslušných konstant stability, které se při fitování této křivky hledají (komplexační reakce posouvají začátek srážení do vyšších oblastí pH tím více, čím jsou konstanty stability větší). Bohužel, při prvých titračních pokusech, jejichž výsledky byly uvedeny v předcházející zprávě (Výstup č. 4), nebyly dodrženy podmínky záchytu zmíněné prodlevy, a sice zřejmě proto, že doba ustavování rovnováhy po jednotlivých přídavcích NaOH byla relativně velmi krátká. Domníváme se, že ustavování rovnováhy je retardováno výše zmíněnými komplexačními a dekomplexačními reakcemi, což odvozujeme z výsledků studia kinetiky těchto reakcí [5] – podle pH je třeba počítat s dobou min. 100 hodin. Aby bylo možno potřebnou dobu lépe dodržet, byl poslední pokus proveden tak, že každý jednotlivý „bod“ titrační křivky byl stanovován zvlášť (nádobky s výchozím roztokem a s různými přídavky roztoku NaOH byly třepány po dobu cca 7 dnů a po 4., 5., 6. a 7. dnu bylo měřeno pH. Mezi 6. a 7. dnem byly změny pH již velmi malé – pouze cca v setinách jednotek; další podmínky stanovení každého jednotlivého „bodu“: výchozí koncentrace Eu(III) = 3,64×10-4 M; objem roztoku = 4 ml; hmotnost HA = 1,2 mg; I = 0,1; přídavky 0,0932 M NaOH v rozmezí 0 – 2.4 ml). Konstrukce modelu (a následně výpočetního programu) titrační křivky systému Eu(III)+HA, který byl použit k fitování experimentální závislosti pH = f(spotřeba NaOH), je v podstatě založena na předpokladu tří komplexačních (→), resp. dekomplexačních (←) reakcí, kde HAS- jsou tzv. „strong acidic“ a HAW- tzv. „weak acidic“ karboxylové skupiny v molekule huminové kyseliny (doplňme, že toto členění se ukázalo jako užitečné při fitování titračních křivek samotné HA [2]). Ke každé reakci je přiřazen symbol odpovídající konstanty stability formulované na způsob „charge neutralization model-u“ (viz rovnice (16), (18), (20), a (21)): Eu3+ + HAS3- ↔ EuHAS
KScnm
(9)
Eu3+ + HAW3- ↔ EuHAW
KW1cnm
(10)
EuOH2+ + 2HAW2- ↔ EuOHHAW
KW2cnm
(11)
Další reakce, které model systému charakterizují, jsou tvorba hydroxokomplexu EuOH2+ a srážení Eu(OH)3.solid : Eu3+ + OH- ↔ EuOH2+
(12)
Eu3+ + 3OH- ↔ Eu(OH)3.solid
(13)
a dále, neutralizace volné kyseliny a protonizační/deprotonizační reakce výše zmíněných karboxylových skupin a skupin fenolických v molekule HA.
18
V průběhu fitování experimentálních bodů metodou nelineární regrese byly hledány hodnoty konstant KScnm, KW1cnm a KW2cnm a koncentrace volné kyseliny, FreeAcid (ta je vztahována na hmotnost HA, mol/kg HA). Výsledky nelineární regrese jsou graficky vyhodnoceny na Obr. 4. Na dalších dvou grafech jsou vypočítané závislosti charakterizující studovaný systém, asice, zastoupení forem existence Eu(III) v roztoku v závislosti na pH korespondující s průběhem titrační křivky: - na Obr. 5: celkové procento zakomplexovaného Eu(III), %EuHA, procento europia v kationické formě, %Eu a hodnota „%Loading“; - na Obr. 6: zastoupení komplexu s HAS, %EuHAS, komplexů s HAW, %EuHAW a %EuOHHAW a sraženiny Eu(OH)3, %Eu-solid. Na Obr. 4 je patrný jednak poměrně dobrý souhlas experimentu s výpočtem (WSOS/DF = 0,18; platí, že čím je hodnota této veličiny blíže k nule, tím je fit lepší; neměla by být větší než 20), jednak je zcela zřetelná prodleva začínají cca v bodě o souřadnicích pH = 7,5 a mol OH/kg HA = 15,25, která vymezuje oblast srážení Eu(OH)3.solid. Výsledné hodnoty konstant stability: KScnm = 4.01×103 ± 9.7×102; KW1cnm = 1,40×103 ± 2,63×103; KW2cnm = 4.05×1012 ± 1.86×1011 nelze přímo srovnávat s konstantami uvedenými v Tabulce 4, protože byly vypočítány pro široký rozsah pH (z předcházejícího vyplývá, že konstanty stability typu Kcnm jsou funkcí pH) a proto, že v případě vyhodnocování titrační křivky byly použity tři typy komplexačních reakcí, zatímco v předcházejících případech pouze jeden. Aby bylo možné určité porovnání provést, byl vypočítán průměr logaritmů všech tří konstant – výsledná hodnota, 7,80x105, poměrně dobře koresponduje s hodnotami v Tabulce 4 pro I = 0,1 a %Loading = 50. Zastoupení forem Eu(III) v závislosti na pH znázorněné na Obr. 5 a 6, které je ovšem nutné posuzovat v souvislosti s titrační křivkou, ukazuje především na výrazný vliv srážecí reakce, tj. na vznik %Eu-solid. Ta poměrně rychle zastavuje za daných podmínek již prakticky jedinou probíhající komplexační reakci, při které vzniká EuOHHAW. Celkové procento komplexace europia na Obr. 5, %EuHA, ukazuje, že při pH 6 je přibližně o 4 – 5% vyšší než srovnatelné údaje v Tabulce 2, příp. v Tabulce 4 pro DIA a IEX; avšak při pH 4 lze ze závislosti na Obr. 5 odečíst hodnotu cca 70% %EuHA, která je asi dvojnásobná, než ty, které pro srovnatelné podmínky jsou uvedeny ve zmíněných tabulkách pro DIA, IEX i EF.
19
Obr. 4 - Titrační křivka systému Eu(III) + HA
Obr. 5 - Zastoupení forem Eu(III)
Obr. 6 - Zastoupení forem Eu(III)
20
Celkově vzato jsme toho názoru, že metoda acidimetrické titrace je v zásadě použitelná pro studium komplexačních reakcí kovů s kyselinou huminovou, pravděpodobně i fulvinovou a s jinými organickými, event. i anorganickými kyselinami. Pokud jsou známy reakční podmínky, především doba potřebná k ustavení rovnováhy, je po technické stránce její provedení poměrně jednoduché. Pro vyhodnocení titrační křivky je zapotřebí konstruovat příslušný model a je nutné znát potřebná vstupní data (protonizační konstanty a celkovou koncentraci funkčních skupin dané kyseliny, součin příp. součiny rozpustnosti daného kovu s OH-, příp. s dalšími přítomnými anionty, konstanty stability tvorbo hydroxo-komplexů, atd.), jejichž získání nemusí být vždy jednoduché. Lze proto doporučit, aby před použitím acidimetrické titrace byla věnována pozornost výše naznačeným problémům a byl optimalizován pracovní postup i výpočetní program – to platí i pro případné další studium komplexace Eu(III) – HA za podmínek I = 0,01 a %Loading = 1 a 10% (např., zvětšit objem kapalné fáze v reakční nádobce, zahrnout do výpočetního programu korekci na změnu objemu v důsledku přídavku NaOH, apod.).
1.7
Srovnání výsledků dosažených použitými metodami
Hodnoty % EuHA stanovené pro zadaný soubor podmínek s použitím metod dialýzy, elektroforézy, iontové výměny a ultrafiltrace jsou srovnány v Tabulce 2. Nejsou uvedeny výsledky, zjištěné metodou gelové permeační chromatografie a acidobasické titrace, protože se vztahují k jiným podmínkám a proto je nelze přímo srovnat. Hodnoty pro ultrafiltraci jsou uvedeny v závorkách, protože jde o %Z1, zanedbává se zadržení nekomplexované formy Eu. Data uvedená v Tabulce 2 se vztahují k jeden den starým roztokům, charakterizují ale komplexaci i v roztocích předekvilibrovaných déle, neboť rozdíl v hodnotách %EuHA pro 1 d a 7 d staré roztoky byl bez výjimky zanedbatelný.
Loading [%]
pH
I
DIA
EF
IE
UF
1
4
0,01
98,7±0,2
99
99,1
(80,0)
1
4
0,1
94,6±0,2
97
99,7
(79,7)
1
6
0,01
99,6±0,2
100
99,7
(90,9)
1
6
0,1
99,6±0,2
99
100,0
(94,1)
10
4
0,01
96,0±0,2
99
91,9
(64,9)
10
4
0,1
81,8±1,8
83
82,6
(27,9)
10
6
0,01
99,9±0,1
99
99,5
10
6
0,1
99,3±0,2
98
99,5
(71,4)
50
4
0,01
62,5±2,0
79
64,6
(62,1)
50
4
0,1
35,9±5,0
35
34,7
(26,5)
50
6
0,01
98,2±0,2
95
95,7
(43,0)
50
6
0,1
84,9±1,0
94
84,0
(41,8)
(73,1)
Tab. 2 - Srovnání hodnot % EuHA zjištěných metodou dialýzy, elektroforézy, iontové výměny a ultrafiltrace
21
Žádná z použitých metod tedy není významně ovlivněna zpomalením disociace EuHA komplexu, které by mohlo být způsobeno stárnutím komplexu. Takový efekt by se mohl projevit hlavně u elektroforézy a iontové výměny (IE), u nichž disociace EuHA může ovlivnit pohyblivost Eu nebo podmiňuje ustavení rovnováhy v systému (IE). Ze srovnání dat v Tabulce 2 vyplývá, že dobrá shoda mezi výsledky dialýzy, elektroforézy a iontové výměny je pozorována tam, kde je %EuHA blízké maximu, tj. 100 %. Se vzrůstem obsazení HA (hlavně loading 50 %) se výsledky poněkud více rozcházejí. Pro hodnotu loading 1 % daly všechny tři použité metody prakticky shodné výsledky, pouze při pH 4 a I = 0,1 je rozpětí hodnot %EuHA asi 5 %. Pro loading 10 % byla rovněž nalezena dobrá shoda, pouze při pH 4 a I = 0,01 je rozpětí výsledků asi 7 %. Největší rozdíly byly zjištěny při nevyšší koncentraci Eu, odpovídající loading 50 %. Zejména výsledky z elektroforézy se ve dvou případech ze 4 výrazněji odchylují směrem vzhůru. Hodnoty odhadnuté z ultrafiltrace se od ostatních značně odchylují směrem dolů, s jedinou výjimkou. Proti výsledkům uvedeným v předchozí zprávě došlo k významným změnám u iontové výměny, jejíž výsledky po úpravě postupu výpočtu %EuHA nyní lépe souhlasí s výsledky DIA a EF, v případě ultrafiltrace však došlo k výraznému zhoršení shody. Ze srovnání získaných dat lze vyvodit následující závěry o jednotlivých metodách: Jak vyplynulo z popisu a hodnocení metody dialýzy (viz výše), vypočtené hodnoty %EuHA lze pro tuto metodu považovat za maximální možné hodnoty, při započtení korekce na sorpční ztráty a případnou nerovnováhu při dialýze (nedosažení maximálně možného průniku Eu membránou) by byly vypočtené hodnoty nižší. Výsledky spočtené z dialýzy však jsou buď stejné jako z jiných metod nebo nižší. To svědčí o správnosti postupu při jejich vyhodnocení. Jediný myslitelný důvod pro neoprávněné snížení vypočtených hodnot %EuHA by mohl spočívat v částečném průniku EuHA membránou. Takový průnik je však vysoce nepravděpodobný, což vyplynulo z měření absorbance roztoku v dialyzačním vaku, indikující zanedbatelné hodnoty průniku HA. Proto lze považovat výsledky stanovené dialýzou za spolehlivé. Podobný závěr platí i pro elektroforézu. Použitá metoda rovněž skýtá maximální možné hodnoty %EuHA (viz výše) z toho důvodu, že zanedbává případný vliv retardace katodické mobility Eu3+ izotopovou výměnou s EuHA. Jak bylo uvedeno výše, nadhodnocení %EuHA je možné zejména v případě vyšších hodnot obsazení HA. Tím by bylo možné vysvětlit vyšší hodnoty %EuHA zjištěné touto metodou při 50 % loading a pH 4, I = 0,01 a pH 6, I = 0,1 (Tabulka 2). V těchto případech jsou výsledky dialýzy patrně spolehlivější Hodnoty %EuHA uvedené v Tabulce 2 jako výsledek použití metody iontové výměny byly získány zpětným výpočtem z konstant stability EuHA stanovených iontovou výměnou. Dobrá shoda těchto výsledků zejména s výsledky dialýzy svědčí o tom, že zvolený způsob výpočtu byl správný. Neshody popsané v předchozí zprávě, které vzrůstaly s růstem obsazení HA, byly způsobeny tím, že pro všechny koncentrace Eu byla použita jedna hodnota konstanty stability EuHA. Jak bylo uvedeno výše, konstanta stability závisí na obsazení HA.
22
Za nejméně spolehlivá lze považovat data získaná ultrafiltrací a to zejména proto, že byla zjištěna částečná neprůchodnost ultrafiltru i pro formy Eu nevázané HA. Proti očekávání však zadržení Eu za přítomnosti HA je menší než by odpovídalo zastoupení EuHA zjištěnému ostatními srovnávanými metodami. Tuto skutečnost se nepodařilo objasnit. O nejasnostech s použitím této metody svědčí i to, že se výsledky uvedené v Tabulce 2 značně liší od těch, které jsme získali stejnou metodou dříve (viz podobnou tabulku ve Výstupu č.4).
23
2
Určení rovnovážných a kinetických parametrů interakce europia s huminovými látkami
Cílem druhé části řešeného úkolu bylo zdokonalit poznatky o interakci Eu s huminovými látkami jednak vyhodnocením dosažených výsledků z první části úkolu pomocí vhodného modelu interakce a porovnáním získaných parametrů interakce s daty z literatury, jednak studiem kinetiky interakce samostatnými experimenty. Za tímto účelem byly provedeny rešerše a zhodnocení literárních dat o interakci trojmocného europia s huminovými látkami, výpočty konstant stability komplexů europia s huminovou kyselinou Aldrich z dat získaných metodou dialýzy, elektroforézy a iontové výměny, a studium kinetiky komplexace a dekomplexace Eu s HA metodou iontové výměny. (a)
Výsledky studia kinetiky komplexace Eu(III) – HA
Výsledky byly již podrobně diskutovány v předcházející zprávě a zde proto pouze provedeme jejich stručné shrnutí. Za použití silně kyselého katexu v Na+-formě Amberlite IR-120, byla studována kinetika komplexace (C) a dekomplexace (D) Eu(III) s huminovou kyselinou (HA) firmy Aldrich jako funkce pH (= 4, 5, 6, 7 a 8) při iontové síle I = 0,1 (0,1 M NaClO4). Použitý kinetický model sestával: (i) z kinetických diferenciálních rovnic, založených na reakcích Eu(III) s tzv. silně kyselými (HAS, plně disociovanými při pH ≥ 4) a slabě kyselými (HAW, plně disociovanými při pH ≥ 7) karboxylickými skupinami huminové kyseliny, (ii) z kinetického modelu (tzv. modelu filmové difúze) sorpce Eu3+ na Amberlite IR-120(Na+). Zmíněné C- a D- reakce byly odvozeny ve shodě s naším modelem MMWM (Mean Molecular Weight Model [2]) komplexačních reakcí Mez+ HA. Lze konstatovat, že ve studovaném intervalu pH rychlostní konstanty dekomplexace klesají s růstem pH, zatímco rychlostní konstanty komplexace jsou v podstatě konstantní a dále, že obecně dochází ke vzájemnému ovlivňování výměnných a komplexačních reakcí. Nezahrnutí modelu kinetiky sorpce do modelu kinetiky C- a Dreakcí by bylo proto zdrojem nepřesných výsledků zvláště při pH < 7. Detailně jsou výsledky studia kinetiky C- a D- reakcí Eu(III) – HA uvedeny v publikaci [5] a v příloze předcházející zprávy. (b)
Výsledky studia rovnováh komplexace Eu(III) – HA
Ze studia interakce Eu(III) s HA pomocí ionexové metody, jak bylo již diskutováno v předcházející zprávě i výše, vyplynulo, že komplexační proces je ovlivňován především hodnotami pH, iontové síly a veličinou „loading“ huminové kyseliny. Obecně lze konstatovat, že hodnoty konstant stability Kcnm rostou se zvyšováním pH a s poklesem iontové síly. Vliv zvyšování pH zřejmě souvisí se zvyšováním stupně disociace karboxylových skupin HA, což popsali již Torres a Choppin [6]. Pokud se týká vlivu iontové síly obecně platí, že s jejím poklesem se zvyšují hodnoty aktivitních koeficientů reagujících složek a v důsledku toho i rovnovážné (koncentrační) konstanty probíhajících reakcí; dokládají to hodnoty konstant stability komplexačních reakcí
24
UO22+ + HA (a FA) pro iontovou sílu 0,1 a 0,01 uvedené v práci Czerwinského et al. [7]. Z vyhodnocení a posouzení experimentálních dat však též vyplynulo, že konstanty stability jsou významně závislé i na koncentraci europia v roztoku, a že tato závislost je zřejmě příčinou většího či menšího nesouhlasu procenta komplexace vypočítaného z dat získaných metodou iontové výměny a stanoveného ostatními metodami, zvláště dialýzou – viz Tabulku 2 v předcházející zprávě. Ukázalo se, že možným řešením tohoto problému je formulace funkce Kcnm(CEuΣ). Jak bylo již uvedeno v kap. A – Iontová výměna, fitováním experimentálních bodů logKcnm = f(logCEuΣ) metodou lineární regrese byly získány parametry rovnice přímky, pomocí které lze počítat pro zadanou koncentraci Eu0 , resp. v případě ionexové metody pro koncentraci CEuΣ , hodnotu konstanty stability a následně pak určit %EuHA – z Tabulky 2 je pak jistě dobře patrné, že takto získané hodnoty procenta komplexace – na rozdíl od údajů v předchozí zprávě – jsou především pro vyšší hodnoty %Loading velmi dobře srovnatelné s hodnotami %EuHA získanými dialyzační metodou. Parametry regresních rovnic, a1 a b1, včetně regresních koeficientů, Rk, jsou shrnuty v Tabulce 3. Tvar zmíněné rovnice přímky je následující: log Kcnm = a1.log CEuΣ + b1
(14)
pH
I
a1
b1
Rk
4
0,01
-0,957
0,314
0,41
4
0,1
-1,75
-4,67
0,98
6
0,01
-2,14
-4.50
0,90
6
0,1
-2,63
-7,79
0,92
Tabulka 3 Parametry regresních rovnic, a1 a b1, a hodnoty regresních koeficientů, Rk, získané při fitování experimentálních dat rovnicí (14) Z Tabulky 3 je zřejmé, že konstanta stability, formulovaná rovnicí (14) a odpovídající tzv. „charge neutralization model“ [7], je též funkcí pH a I. Pokud se týká kriteria fitu, Rk, je poměrně dobrý u tří pokusů, u prvého je však velmi nízký, důvodem je zřejmě malý počet experimentálních bodů (= 4) a zatížení jednoho bodu větší experimentální chybou. Zajímavá je posloupnost hodnot a1, tj. směrnice v rovnici (14), ukazující na vzrůstající závislost konstanty stability na koncentraci s růstem pH a iontové síly. S využitím rovnic (14) – (21) byl konstruován model studovaného systému, pomocí kterého lze: - provést výpočet procenta komplexace europia, %EuHA, pro zadané hodnoty procenta “loadingu”, %Loading, a pro další parametry studovaného systému, a to jak pro předpoklad přítomnosti ionexu, tak i pro systém bez ionexu;
25
- na základě znalosti %EuHA a dalších parametrů systému vypočítat odpovídající hodnotu konstanty stability Kcnm – opět jak pro podmínky metody ionexové, tak metod ostatních; - komplexně popsat chování systému Eu(III) – HA – Amberlite IR-120(Na+) funkcemi, např., typu %EuHA = f(HA0, Eu0), %Loading = f(HA0, Eu0) a %EuHA = f(Eu0, %Loading) a názorně toto chování demonstrovat v 3D grafech pro zvolené intervaly veličin HA0, Eu0 a %Loading, se zahrnutím všech výše zmíněných parametrů (kde konstanta stability je daná rovnicí (14)), které ovlivňují záchyt europia na ionex. I zde platí, že lze takto modelovat i systém bez ionexu a demonstrovat jeho chování v analogických typech 3D grafů. Rovnice (15) – (21): - bilanční rovnice Eu(III): CEu0 = CEu3+ + CEuHA + (m/V).QEu3+ [mol/l]
(15)
- bilanční rovnice HA: CHA0 = CHA + CEuHA [mol/l]
(16)
- %Loading = (CEuHA + CEu3+).100/CHA0 [%]
(17)
- konstanta stability: β ≡ Kcnm = CEuHA/(CEu3+.CHA)
(18)
- Langmuirova rovnice: QEu3+ = (KL.Qmax.CEu3+)/(1 + KL.CEu3+) [mol/kg IR-120]
(19)
CHA0 = mHA0 .PEC /3
(20)
CHA = CHA0 - CEuHA [mol/l]
(21)
Význam symbolů : CEu0 … počáteční koncentrace Eu(III), [M] CEu3+ … koncentrace kationické formy Eu(III), [M] CEuHA …koncentrace komplexu Eu-HA v roztoku, [M] mHA0 … [kg HA/l]; PEC - protonově výměnná kapacita … [mol/kg HA] QEu3+ … koncentrace Eu(III) v ionexu Amberlite IR-120 (Na+), [mol/kg] m … hmotnost měniče kationtů [kg] ; V … objem roztoku [l] V Tabulce 4 jsou shrnuty hodnoty %EuHA (viz též Tabulku 2) a Kcnm vypočítané z výsledků metod: dialyzační (DIA), iontově výměnné (IEX) a elektroforetické (EF).
26
Výpočet byl proveden pomocí výše zmíněného modelu, a to pro zadané parametry pH (4 a 6), iontovou sílu (I = 0,01 a 0,1) a %Loading (1, 10 a 50 %). Ze vzájemného porovnání procenta komplexace a konstant stability je patrné, že hodnoty návzájem korespondují – je mezi nimi v určitém smyslu přímá úměrnost, neboť v podstatě platí: s poklesem procenta komplexace klesají i hodnoty konstant stability; v oblasti vysokých hodnot %EuHA se jako citlivější parametr (kriterium) jeví konstanta stability.
%Loading pH
I
1
DIA %EuHA Kcnm
IEX %EuHA Kcnm
EF %EuHA Kcnm
98.7
3.29e6
99.1
4.87e6
99
4.3e6
96.0
1.14e6
91.9
5.38e5
99
4.7e6
50
62.5
1.04e5
64.6
1.15e5
79
2.7e5
1
94.6
7.58e5
99.7
1.44e7
97
1.5e6
81.8
2.10e5
82.6
2.22e5
83
2.3e5
50
35.9
2.93e4
34.7
2.76e4
35
2.8e4
1
99.6
1.08e7
99.71
1.49e7
99.9
4.4e8
99.9
4.76e7
99.5
9.47e6
99
4.7e6
98.2
4.57e6
95.7
1.84e6
95
1.5e6
99.6
1.08e7
99.99
4.33e8
99
4.3e6
99.3
6.75e6
99.5
9.47e6
98
2.3e6
84.9
4.19e5
84.0
3.88e5
94
1.3e6
10
10
10
4
4
6
0.01
0.10
0.01
50 1 10 50
6
0.10
/* % LC
β
7.70 ± 0.2 (L ≈ 2-18)
1.4e7 ± 2.4e7
6.80 ± 0.2 (L ≈ 5-40)
4.8e6 ± 1.8e6
74.10 ± 8.4 (L ≈ 1598)
2.7e7 ± 3.8e6
44.7 ± 0.8 (L ≈ 1593)
Záporná hodnota
Tab. 4 - Konstanty stability, Kcnm , a procento komplexace Eu(III), %EuHA, tří metod jako funkce pH a I Hodnoty parametrů modelu označovaného jako „charge neutralization model“ [7]: „loading capacity, %LC“ a konstanta stability β /* L = průměrná hodnota %Loading Výše zmíněný trend změny konstant stability na veličině “loading” je graficky demonstrován na Obr. 7 (pro pH 4 a 6; I = 0,01) a Obr. 8 (pro pH 4 a 6; I = 0,1). Je zde patrný nejen vliv veličiny “loading”, ale také pH, iontové síly a použité metody. Z tohoto hlediska přibližně platí: - se zvyšujícím se pH, se zvyšující se iontovou silou a s poklesem veličiny “loading” rostou hodnoty konstant stability; - relativně nejlepší shody mezi uvažovanými metodami, zvláště v intervalu 10 – 50 %Loading, bylo dosaženo při pH = 4 a I = 0,1 (viz Obr. 8); - jestliže vezmeme metodu DIA jako vztažnou (ovšem kromě pH = 6 a I = 0,01, kde bod pro 10 %Loading evidentně nekoresponduje s ostatními – viz Obr. 7), potom
27
došlo ke kladné odchylce (ke zvýšení) hodnot konstant stability u metod IEX a EF (zde kromě pH 6 a I = 0,1) v intervalu 0 - 10 %Loading.
9
log Kc
8
pH 4 DIA ;
pH 4 IEX ;
pH 4 EF
pH 6 DIA ;
pH 6 IEX ;
pH 6 EF
I = 0.01
7
6
5
4 0
10
20 30 loading, %
40
50
Obr. 7 - Závislost logKc (≡logKcnm) = f(%Loading) - hodnoty získány použitím metod DIA, IEX a EF pro pH = 4 a 6 a I = 0,01 Experimentální data získaná ionexovou metodou v rámci tzv. druhé skupiny pokusů (viz kapitolu A – Iontová výměna) bylo možné použít ke stanovení dvou parametrů modelu označovaného jako “charge neutralization model” [7], t.j. tzv. “loading capacity” – LC, definovaného rovnicí (22), a vlastní konstanty stability β (≡ Kcnm) – viz rovnice (18). Postup stanovení obou parametrů byl shodný s postupem uvedeným v publikaci [7]; ten spočívá v tom, že rovnice (23) se upraví na obecnou rovnici přímky (24), kterou se fitují experimentální, resp. vypočítaná data: CEu3+ = f(x), kde x = (CHA0.CEu3+)/CEuHA. Fitováním metodou lineární regrese se získají směrnice k = LC a parametr c = (1/ β). Výsledné hodnoty LC a β jsou shrnuty v Tabulce 4; s ohledem na to, aby bylo možné porovnat parametr “loading capacity” s %Loading, je v Tabulce 4 též uvedeno přibližné rozpětí hodnot %Loading vypočítané pro experimentální data odpovídajících pokusů tzv. druhé skupiny. Jak se liší hodnoty konstant stability, t.j. Kcnm a β, je zřejmé z porovnání příslušných sloupců v uvedené tabulce. Celkově lze konstatovat, že hodnoty LC leží uvnitř rozpětí %Loading a hodnoty veličiny β jsou vyšší než hodnoty Kcnm. Z toho vyplývá, že aplikace “charge neutralization model-u” tak jak byl publikován pro vyhodnocování experimentálních dat není identická s aplikací pouze jeho vztahu pro konstantu stability.
28
9
log Kc
8
pH 4 DIA ;
pH 4 IEX ;
pH 4 EF
pH 6 DIA ;
pH 6 IEX ;
pH 6 EF
7
I = 0.1
6
5
4 0
10
20
30 loading, %
40
50
Obr. 8 - Závislost logKc (≡logKcnm) = f(%Loading) - hodnoty získány použitím DIA, IEX a EF pro pH = 4 a 6 a I = 0,1 LC = (CHA+CEuHA)/CHA0
(22)
CEu3+ = LC.((CHA0.CEu3+)/CEuHA)-(1/ β)
(23)
CEu3+ = k.x – c
(24)
metod
Chování studovaného systému je dále demonstrováno použitím výše zmíněného modelu daného rovnicemi (14) – (21), konkrétně použitím funkce %EuHA = f(Eu0, %Loading) v následujících dvou 3D grafech. A sice, jednak pro systém s katexem Amberlite IR-120(Na) – viz Obr. 10, jednak pro systém bez katexu (platné, např., pro dialýzu, či ultrafiltraci) – viz Obr. 9. Byla použita následující vstupní data: Kcnm – viz rovnici (14) a Tabulku 3, a1 = -1,75 a b1 = -4,67; pH 4; I = 0,1; PEC = 7 mol/kg HA; V/m = 500 ml/g; KL = 1,6×106; Qmax = 0,598 mol/kg; Eu0 = 1×10-7 – 1×10-5 mol/l; %Loading = 0,1 – 50 %. Ze vzájemného porovnání obou 3D grafů je především patrný výrazný vliv přítomnosti ionexu na procento komplexace europia, které již při mírně zvýšených hodnotách veličiny %Loading a při koncentracích blížících se 1×10-5 M Eu(III) začne prudce klesat. Rozdíl je skutečně výrazný, neboť je třeba si uvědomit, že v případě Obr. 9 se jedná o rozsah 20 – 100 %EuHA a v případě Obr. 10 o interval 70 – 100 %EuHA. Jinak, na rozdíl od podobných 3D grafů publikovaných v předcházející zprávě (kde ovšem bylo předpokládáno, že konstanta stability je konstantní), jsou si obě vypočítané
29
plochy tvarem vcelku podobné. Na základě podrobnějšího rozboru průběhu znázorněné funkční závislosti na Obr. 10 je možné vysvětlit nesouhlas vypočítaných hodnot %EuHA pro IEX s hodnotami stanovenými metodou DIA, event. i EF, neboť v důsledku sorpce Eu(III) došlo k výraznému poklesu koncentrace europia v roztoku, což mělo za následek pokles hodnot %Loading a nárůst hodnot %EuHA, resp. posuv experimentálních bodů do levé horní části 3D grafu.
Obr. 9 %EuHA = f(CEu0, %Loading) bez IR-120(Na); pH = 4, I = 0,10, PEC = 7 [mol/kg] Kc = a1.(CEu+CEuHA) + b1 (a1 = - 1,75, b1 = - 4,67)
30
Obr. 10 - %EuHA = f(CEu0, %Loading) s IR-120(Na); pH = 4, I = 0,10, PEC = 7 [mol/kg] V/m = 500 lkg; Kc = a1.(CEu+CEuHA) + b1 (a1 = - 1,75, b1 = - 4,67)
31
3
Studium distribuce a transportu uranu
Studium distribuce a transportu uranu v systému voda obsahující huminové látky – přírodní pevná fáze vsádkovými a kolonovými experimenty, získání dat pro hodnocení vlivu huminových látek na migraci uranu s použitím matematických modelů. Cíl této části úkolu je zřejmý z názvu. Po široké diskusi s koordinátorem a řešiteli projektu HUPA byly jako objekt studia vybrány haldy hlušiny z těžby uranové rudy v dole Schlema-Alberoda v oblasti Krušných hor (Erzgebirge, SRN). Hlušina v této oblasti obsahuje značné koncentrace uranu, jehož uvolňování a migrace jsou hygienicky významné a mají být modelovány. Předpokládá se, že mohou být ovlivněny huminovými látkami, které se v systému mohou vyskytovat jako produkty přeměn rostlinného nebo odpadního materiálu (výdřeva aj.) [8]. Tento systém je jedním ze tří, které byly v rámci projektu HUPA vybrány pro simulační výpočty, jimiž by měl být posouzen možný vliv huminových látek na uvol%nování a migraci radionuklidů z RAO do životního prostředí. Podle plánu prací v projektu HUPA mají být poznatky shrnující charakterizaci systému experimentálními a analytickými prostředky využity k tvorbě, či doplnění, modelů popisujících interakci horninového materiálu s uranem za přítomnosti huminových látek a k modifikaci transportního modelu. Tyto modely budou potom použity k simulaci migrace uranu v konkrétní lokalitě s cílem vypracování celkového hodnocení systému úložiště (haldy), což bývá označováno souhrnným názvem „performance assessment“ (ve zkratce PA). Našemu pracovišti byla sice v rámci projektu HUPA explicitně svěřena jen část experimentální, s ohledem na naše zkušenosti se však chceme podílet i na vyhodnocování experimentů a na modelování s pomocí námi používaných metodik. Jak vyplynulo z průběžných pracovních jednání v rámci mezinárodního řešitelského kolektivu, je možno i výsledky takovéto práce v rámci projektu prezentovat. Náš příspěvek k řešení projektu HUPA je možno rozdělit do tří oblastí: (i) charakterizace hlušinového materiálu, (ii) experimentální studium interakce hlušinového materiálu s uranem za přítomnosti huminových látek a (iii) popis interakce uranu s horninou ve sledovaném systému. V současné době, kdy dílčí úkol, ve kterém jsou zahrnuty experimentální práce formálně končí, můžeme shrnout všechny dosud provedené experimentální práce a naznačit cesty k modelování. K dokončení modelového popisu potřebujeme provést ještě další experimenty, z těchto dvou hledisek není tedy ještě možno naši práci považovat za uzavřenou. Souhrnu dosud provedených prací jsou věnovány následující odstavce.
3.1
Charakterizace vzorku
Odebraný vzorek hlušiny má reprezentovat její typické složení, pro studium byla vybrána jemnozrnná frakce, jejíž vliv na uvolňování a migraci uranu je větší než je tomu u hrubozrnných frakcí. Vlastní odběr byl podle našich požadavků proveden pracovníky FZR ve spolupráci se správcem a likvidátorem odpadů z těžby a úpravy uranové rudy v bývalé NDR, organizací VISMUT. Sítováním byla odebrána frakce pod
32
1 mm z haldy, kde již dříve byl prováděn výzkum vlivu na životní prostředí, např. odběr průsakových vod. Vzorek o hmotnosti 2,5 kg byl dodán z FZR 11.7.2002, výsledky jeho analýz a charakterizace byly uvedeny ve Výstupu č. 3 a doplněny kvantitativními údaji o mineralogickém složení vzorku. Hlavními komponenty vzorku jsou muskovit (42,52%) a křemen (21,12%), dále jsou obsaženy karbonáty (ankerit 9,04%, siderit 3,08% a kalcit 1,43%), chlorit (6,68%), ortoklas (3,77%), albit (3,07) a další komponenty s obsahem pod 2%. Výsledky zrnitostní analýzy provedené na CEG FSv ČVUT ukazují na významný podíl jemných frakcí (cca 29 % hmotnosti připadá na částice menší než 0,035 mm). Základní údaje o složení vzorku jsme dále doplnili stanovením obsahu volného (vyměnitelného, Uex) a vázaného (nevyměnitelného) uranu v něm. Znalost těchto parametrů je významná pro popis uvolňování a sorpce uranu na materiálu hlušiny. Ke stanovení byly použity dvě metody (podrobněji viz Výstup č. 5): (a)
studium izotopové výměny mezi přírodním uranem ve vzorku a U-233 ve vodné fázi Experimentální stanovení Uex bylo provedeno s navážkou 30, 67, 150 a 300 mg vzorku hlušiny, 3 ml vodného roztoku o koncentraci 1,1×10-6 M U-233 v 10-4 M HNO3. Stanovený obsah vyměnitelného uranu ve vzorku závisel na použité navážce vzorku, klesal od 23,0 ng/mg při 30 mg navážce do 17,6 ng/mg při navážce 300 mg. Průměrná hodnota činila 20,4 ng/mg, tj. 35,35% celkového obsahu uranu. Důvod zmíněné závislosti není znám. Mohlo by jít o změnu dostupnosti uranu se změnou poměru kapalné a pevné fáze V/m, např. v důsledku zvýšeného rozpouštění některých minerálů při vyšším V/m.
(b)
loužení vzorku hlušiny vybranými roztoky Loužení bylo provedeno destilovanou vodou a těmito roztoky: - Morganův roztok (= 1M CH3COONa, pH = 5; upraveno kyselinou octovou), rozpouští karbonátové minerály a adsorbované stopové prvky; - TAO roztok (= 10,9 g/l šťavelové kyseliny + 16,1 g/l šťavelanu amonného, pH cca 2,7), rozpouští amorfní minerály Fe, Al a Si a sekundární minerály uranu. Výsledky loužení vzorku hlušiny po době 24 hodin, při poměru V/m 40 ml/g a při pokojové teplotě byly 1,9-2,3 ng U /mg vzorku pro vodu, 23,0-26,2 ng/mg pro Morganův roztok a 33,8-35,3 ng/mg pro TAO. Tyto výsledky byly v posledních měsících doplněny na základě dalších experimentů o dva výsledky:
(c)
studium izotopové výměny mezi přírodním uranem ve vzorku a U-233 ve vodné fázi, přičemž vodnou fází byl model přírodní vody SAV (viz níže) poskytlo
33
v experimentech s poměry fází V/m 10, 20 a 100 ml/g a s počáteční koncentrací U-233 rovné 3,3×10-7 mol/l a 1,1×10-6 mol/l (zde dále za přítomnosti přírodního uranu o koncentraci 8,6×10-6 mol/l) hodnotu vyměnitelného množství uranu Uex = (8,7±0,3)×10-5 mol/kg. Poznámka: pro převod jednotek plati: 8,04×10-5 mol U / kg = 20 ng U / mg. (d)
porovnání průběhu kinetiky přírodního uranu vyluhování uranu s kinetikou vyluhování vzorku horniny uvedeného před sledováním desorpce do rovnováhy s uranem označeným U-233 naznačuje, za předpokladu platnosti hodnoty Kd určené pro U-233 i pro celkový uran, hodnotu Uex = 1,0×10-4 mol/kg. Jak je totiž patrné z Obr. 11, nejlepší shoda průběhu kinetiky desorpce pro experiment s označeným uranem je pro ten přepočet výsledků desorpčního experimentu provedeného bez předchozí ekvilibrace, u kterého se předpokládá Uex = 1,0×10-4 mol/kg.
Při realizaci loužících experimentů se ukázalo, že koncentrace vylouženého uranu jsou natolik nízké (~10-7 mol/l), že je lze přímo stanovovat jen metodou ICP MS. Rozsah experimentálních prací by touto skutečností byl, s ohledem na cenu stanovení pomocí ICP MS, výrazně limitován. Proto byla většina dále uvedených sorpčních experimentů prováděna za přítomnosti U-233 jako značkovače. Měření aktivity U-233 bylo prováděno kapalinovou scintilační spektrometrií na přístroji Triathler Multilaber Tester s použitím kapalného scintilátoru LSC Coctail AquaLight.
34
(q total-q )/q total
0,4
0,3
0,2
s U-233, ekvilibrace 14 dní s U-233, ekvilibrace 28 dní
0,1
bez U-233, Uex = 1,2e-4 mol/kg
Kd = 16,8 ml/g
bez U-233, Uex = 1,0e-4 mol/kg bez U-233, Uex = 0,8e-4 mol/kg
0 0
100
200
300
čas, hod Obr. 11 - Kinetika vyluhování uranu z hlušinového materiálu pro V/m = 20 ml/g
3.2
Studium sorpce uranu na odpadních materiálech
Studium sorpce uranu na odpadních materiálech vsádkovými experimenty s cílem kvantitativně charakterizovat procesy distribuce uranu v reálném systému. Vsádkové experimenty byly převážně prováděny radiostopovací metodou s využitím U233. Distribuce U-233 v systému vzorek hlušiny-vodný roztok byla studována v 5 ml PE ampuli s PE uzávěrem. Nejprve byl do ampule navážen vzorek (30-300 mg), pak byly přidány 3 ml vodného roztoku o zvolené koncentraci 233U a složení, případně byl roztok míchán přímo v ampuli za přítomnosti vzorku hlušiny. Uzavřená ampule byla podélně třepána na třepačce při pokojové teplotě (20-25ºC) požadovanou dobu, poté byla centrifugována při 3000 ot/min po dobu 10 minut a ze supernatantu byl pipetou odebrán vzorek 1 ml k měření aktivity případně další 1 ml k analýze metodou ICP MS. Zpočátku bylo prováděno studium desorpce ze stěn. Protože se prokázalo, že se na ampulích sorbuje méně než 0,3-1,2 % uranu přidaného do systému, bylo od sledování sorpce na stěny v následujících experimentech upuštěno. Při všech experimentech se pH systému pohybovalo okolo hodnoty 8. Tato hodnota odpovídá údaji z konkrétní přírodní lokality [8]. V citované práci se dále uvádí, že pH srážkové vody (cca 4,5) se při průchodu vrstvou horniny zvyšuje do hloubky asi 2 m na pH 7-8,8 v důsledku pufrační
35
schopnosti horninového materiálu. To je dáno obsahem karbonátů a dalších zásaditých látek v hlušině. Protože při experimentech, při nichž by byla snaha udržovat jinou hodnotu pH, by se charakter hlušiny měnil, bylo upuštěno od snahy sledovat vliv pH na distribuci uranu v systému. První experimenty byly prováděny s vodnou fází o počátečním složení 1,1×10-6 M U-233, ~10-4 M HNO3 a 0,01M NaClO4. Vliv V/m na hodnoty distribuce U-233 zjištěné po 14 dnech kontaktu v tomto systému je poměrně jednoznačný: distribuční koeficient Kd (nemusí jít o rovnovážné hodnoty) klesá s poklesem V/m od hodnoty asi 163 ml/g pro V/m = 100 ml/g k hodnotě 72 ml/g pro V/m = 10 ml/g. Orientačně provedenými dvoudenními experimenty s modifikovanou metodikou byla pro V/m = 1000 ml/g zjištěna hodnota Kd = 2550 ml/g. Vynesení odpovídajících koncentrací v kapalné a pevné fázi v tzv. rovnovážném diagramu ukazuje na výrazně „nepříznivou“ izotermu, tzn. že poměr koncentrace v pevné fázi (kapacity) ke koncentraci v kapalné fázi roste s růstem koncentrace v kapalné fázi. Rozbor systému pomocí speciačních výpočtů (programem PHREEQC i s využitím vlastního programu) ukazuje, že tento nestandardní průběh sorpční izotermy může být způsoben srážením UO2(OH)2, které přichází v úvahu, pokud v systému není dostatečná koncentrace uhličitanů. V našich experimentech tomu jistě bylo v případě vyšších poměrů fází V/m, kdy je vyloužené množství karbonátů přítomných v horninovém materiálu malé; experimenty byly vedeny v uzavřeném reaktoru – tedy bez kontaktu se vzdušným CO2. Pro ilustraci k tomuto závěru uvádíme v Tabulce 5 výsledky speciačních výpočtů pro tři modelové roztoky. Je patrné, že pokud je dotace karbonáty malá, UO2(OH)2 se výrazně sráží při pH 8, což odpovídá experimentálním podmínkám, i pro celkovou koncentraci uranu řádu 1×10-6 M. Podíl z celkového uranu v dané formě nastavení pH pomocí
NaOH
U(VI) – total
UO22+ a hydroxokomplexy
Karbonáty
sraženo jako UO2(OH)2
5×10-7 M
0,98
0,02
0,00
1×10-6 M
0,73
0,03
0,24
2×10-6 M
0,37
0,02
0,62
-5
0,07
0,00
0,93
-7
0,89
0,11
0,00
-6
0,73
0,27
0,00
-6
0,37
0,22
0,41
-5
0,07
0,19
0,74
-7
5×10 M
0,33
0,67
0,00
1×10-6 M
0,18
0,82
0,00
2×10-6 M
0,00
1,00
0,00
0,01
0,99
0,00
1×10 M 5×10 M Na2CO3
1×10 M 2×10 M 1×10 M
NaHCO3
-5
1×10 M
Tabulka 5 Speciace U(VI) pro pH 8 a počáteční koncentraci uhlíku rovné 1×10-7 M
36
Doplňkové experimenty byly věnovány studiu desorpce U-233 zachyceného hlušinou. Po jednodenním nebo 7 denním kontaktu U-233 s hlušinou a vyhodnocení jeho záchytu byl uran desorbován buď roztokem 1M HClO4 nebo roztokem o stejném složení jako při záchytu, ale bez přidaného U-233. Vše bylo provedeno pro 4 hodnoty V/m. Desorpce kyselinou byla kvantitativní, 100±2 %. To ukazuje mimo jiné i na správné provádění a vyhodnocení záchytu. Desorpce roztokem o stejném složení trvala 7 dní a byla vyhodnocena jako stupeň reversibility záchytu U (v %). Tento stupeň klesal od 78,6 % při V/m = 100 ml/g na 50,8 % při V/m = 10 ml/g. Jeho nízká hodnota svědčí o neúplné vratnosti záchytu nebo o pomalém průběhu desorpce (loužení) uranu. Závislost reversibility na V/m může souviset s procesem rozpouštění komponent hlušiny. Hodnoty pH při desorpci se zvýšily proti hodnotám při záchytu o 0,2-0,35. Největší rozsah experimentů byl proveden s U-233 přidávaným do roztoku o složení 0,0175 M MgSO4, 0,0091 M CaSO4 a 0,00258 M NaHCO3 simulujícího složení přírodní vody protékající haldou hlušiny, z níž byl odebrán vzorek hlušiny na němž je záchyt U-233 studován (SAV). Rozsah provedených experimentů shrnuje následující přehled. (a)
záchyt U-233, měřeno pomocí LSC 1) 32 sad kinetických experimentů za podmínek: poměr fází V/m – (10, 20, 44.5, 100) ml/g koncentrace huminové kyseliny C(HA) – (0, 10, 50) mg/l koncentrace celkového uranu (Unat + U-233) C(Uadded) – (0,33; 1; 10) × 10-6 mol/l koncentrace značkovače C(U-233) – (0,33; 1) × 10-6 mol/l tři typy předekvilibrace doba kontaktu v míchaném reaktoru – od 1 hodiny do 14 dní Experimentální body pro dobu kontaktu 14 dní byly užity pro získání rovnovážné izotermy. Experimenty nebyly provedeny pro všechny kombinace výše uvedených podmínek. 2) dodatečné rovnovážné experimenty (pro doplnění rovnovážné izotermy) za podmínek: poměr fází V/m = 10 ml/g; C(HA) - (0, 10, 50) mg/l; pro C(Uadded) – (0,33; 1) × 10-6 mol/l poměr fází V/m = 20 ml/g; C(HA) = 0; pro C(Uadded) – (1, 2, 4, 6, 8) × 10-6 mol/l (měřeno také ICP-MS)
(b)
uvolňování U-233, měřeno pomocí LSC
37
Studium desorpce resp. loužení Utot (po ekvilibraci s C(Uadded) = 7,05 × 10-6 mol/l), výsledky jsou znázorněny na Obr. 11. (c)
kolonové loužící experimenty, měřeno pomocí LSC Pro dvě vstupní koncentrace huminové kyseliny C(HA) – (0, 10) mg/l, (po ekvilibraci s C(Uadded) = 6,55 × 10-6 mol/l)
Následuje stručné uvedení a charakteristika experimentů podle bodů A a B, dynamické experimenty podle bodu C jsou uvedeny v odstavci „Dynamické experimenty“. Výsledky rovnovážných a vybraných kinetických experimentů provedené pod bodem A výše uvedeného přehledu, včetně výsledků první sady stanovení Uex, byly předány, na základě dohody s řešitelem navazujících dílčích částí projektu, jako podklad pro tvorbu modelu migrace uranu ve sledované haldě hlušiny Dr. N. Bryanovi z University of Manchester v červenci 2003. Tabulka 6 je kopií tohoto podkladu, s doplněním o hodnoty, které byly získány vyhodnocením experimentů provedených v dalším období – tyto hodnoty jsou v tabulce psány kurzívou. Výsledky získané pro dobu kontaktu 336 h (tj. 14 dní) jsou považovány za rovnovážné, což bylo pro vybrané podmínky prokázáno provedením sorpčních experimentů trvajících jeden měsíc. Z bilance značkovače byly následně spočteny hodnoty Kd a z předpokladu, že v systému je i izotopová rovnováha, byly spočteny hodnoty rovnovážných koncentrací a kapacit pro celkový reaktivní uran v systému, tedy včetně uranu uvolňovaného z pevné fáze Uex. Vynesením závislostí kapacity na koncentraci, za předpokladu konstantní hodnoty Uex = 1´10-4 mol/kg, byly získány rovnovážné izotermy, které jsou zobrazeny v Obr. 12. Z obrázku je patrné, že hodnota rozdělovacího koeficientu při použití modelové přírodní vody je výrazně nižší než pro první experimenty diskutované výše, uran je pro pH 8, což je pH charakteristické jak pro naše experimenty, tak pro reálný systém [8], v karbonátových formách, které se pro sledované celkové koncentrace uranu nesrážejí. Results of study of the uptake of U-233 on Schlema-Alberoda Material (SAM) batch experiments
SAV= simulated natural water from Schlema-Alberoda (0.0175 M MgSO4, 0.0091 M CaSO4, 0.00258 M NaHCO3) 1. Determinaton of exchangeable uranium Uex Conditions
Contact time [h]
V/m [mL/g] 100.0
44.8
20.0
10.0
8.55E-05
7.50E-05
Uex [mol/kg] SAM, distilled water + 233UO2(NO3)2
38
336
9.79E-05
9.02E-05
2. „Equilibrium“ experiments SAV + SAM, V/m = 10 mL/g
added HA [mg/L] 0.0
10.0
50.0
Contact time
U-233 uptake
U-233 uptake
U-233 uptake
[h]
[%]
[%]
[%]
Ctotal = 3.3e-7 mol/L
48
52.7
54.9
56.9
C-233 = 3.3e-7 mol/L
168
59.4
59.8
58.3
Ctotal = 9.7e-6 mol/L
48
47.7
46.0
42.5
C-233 = 1.1e-6 mol/L
168
51.1
50.6
51.1
Initial concentrations:
SAV + SAM, V/m = 20 mL/g
Ctotal [mol//L] 1.1E-06
2.82E-06 4.54E-06
6.26E-06
7.98E06
Contact time
U-233 uptake
Uex
Initial concentrations:
[h]
[%]
[mol/kg]
[%]
[%]
[%]
[%]
C-233 = 1.1e-6 mol/L
336
51.1
8.48E-05
48.7
45.25
44.65
44.3
U-233 uptake
3. Kinetic experiments V/m [mL/g] Contact time [h]
100.0 -233 uptake
44.8 Uex
20.0
-233 uptake -233 uptake
10.0 Uex
U-233 uptake
Uex [mol/kg]
[%]
[mol/kg]
[%]
[%]
[mol/kg]
[%]
1
5.68
5.95E-05
10.47
18.73
5.68E-05
31.63
SAV + SAM
2
6.13
13.41
21.12
Initial concentrations:
4
6.42
7.08E-05
14.34
22.31
7.19E-05
37.63
Ctotal = 9.7e-6 mol/L
24
10.10
8.20E-05
15.30
30.30
8.18E-05
42.30
C-233 = 1.1e-6 mol/L
96
11.40
19.90
37.00
50.40
Added HA = 0 mg/L
168
12.50
23.90
37.30
56.60
336
14.00
22.40
46.20
61.00
36.40
8.36E-05
39
V/m [mL/g] Contact time [h]
40
100.0
44.8
20.0
10.0
U-233 uptake
Uex
U-233 uptake
U-233 uptake
Uex
U-233 uptake
Uex
[%]
[mol/kg]
[%]
[%]
[mol/kg]
[%]
[mol/kg]
1
10.54
17.86
28.74
43.16
SAV + SAM
2
14.40
20.50
31.33
43.91
Initial concentrations:
4
12.60
20.24
33.43
45.26
Ctotal = 3.3e-7 mol/L
24
11.65
24.40
35.30
46.00
C-233 = 3.3e-7 mol/L
96
19.85
27.20
42.10
56.20
Added HA = 0 mg/L
168
21.25
28.50
50.60
58.80
336
24.95
35.20
50.30
56.90
1
13.29
27.77
SAV + SAM
2
13.51
31.79
Initial concentrations:
4
15.16
32.65
Ctotal = 9.7e-6 mol/L
24
16.51
38.56
C-233 = 1.1e-6 mol/L
96
17.43
40.31
added HA = 10 mg/L
168
19.02
47.08
336
19.84
9.16E-05
28.19
48.62
57.14
8.75E-05
1
14.66
31.35
SAV + SAM
2
15.12
33.15
Initial concentrations:
4
16.62
34.72
Ctotal = 1.1e-6 mol/L
24
17.45
45.38
C-233 = 1.1e-6 mol/L
96
18.03
46.47
added HA = 10 mg/L
168
21.31
51.86
336
22.60
52.84
1
13.82
30.48
SAV + SAM
2
14.87
30.53
Initial concentrations:
4
16.86
30.75
Ctotal = 9.7e-6 mol/L
24
16.52
37.57
C-233 = 1.1e-6 mol/L
96
17.91
40.02
added HA = 50 mg/L
168
21.71
41.87
336
23.28
1
11.65
30.05
SAV + SAM
2
15.04
32.91
Initial concentrations:
4
12.85
38.43
Ctotal = 1.1e-6 mol/L
24
14.66
40.13
C-233 = 1.1e-6 mol/L
96
16.92
41.47
added HA = 50 mg/L
168
21.40
47.09
336
24.06
50.15
27.33
45.27
56.06
Tab. 6 - Shrnutí výsledků rovnovážných a kinetických experimentů Vyhodnocení formou rovnovážného diagramu přináší další poznatky: (i) míra interakce uranu s horninovým materiálem není výrazně ovlivňována přítomností huminovýc látek (alespoň pro koncentrace reálné v přírodním systému – dva body, kdy se ukázala větší míra záchytu za přítomnosti huminové kyseliny, byly získány při vyšší dodatečné dotaci uranu do experimentálního systému) a (ii) izoterma má esovitý charakter, proložení přímkou (Kd model) není výrazným zjednodušením – hodnota Kd vypsaná v obrázku odpovídá proložení rovnovážných bodů získaných bez přítomnost huminové kyseliny. Pro diskuzi kinetických výsledků experimentů se jeví účelné znázornění v rámci rovnovážného diagramu (Obr. 13). Zde jsou schematicky znázorněny dva rozdílné typy experimentů, které byly v laboratoři prováděny:
41
(a)
Nízká počáteční koncentrace v kapalné fázi znamená z hlediska celkového uranu desorpci či loužení, tedy růst koncentrace v kapalné fázi v průběhu kinetického experiment. Ovšem jak vyplývá z dat uvedených pro takový experiment (počáteční koncentrace 3,3×10-7 mol/l), koncentrace značkovače U-233 i v tomto případě klesá.
(b)
Při vyšších počátečních koncentracích celkového uranu v kapalné fázi (v Tabulce 6 všechny experimenty s počáteční koncentrací okolo 1×10-5 mol/l) je “směr pohybu” koncentrací značkovače i celkového uranu souhlasný – tedy klesající.
q , mol/kg
2,5E-04
HA = 0 2,0E-04
HA = 10 mg/l HA = 50 mg/l
1,5E-04
1,0E-04
5,0E-05
K d = 16.8 ml/g 0,0E+00 0,0E+00
2,5E-06
5,0E-06
7,5E-06
1,0E-05
C , mol/L
Obr. 12 Rovnovážné závislosti celkového uranu v systému modelová přírodní voda + reálný hlušinový materiál V tomto schématu jsme vycházeli z rovnovážné závislosti interakce uranu s hlušinovým materiálem bez přítomnosti huminové kyseliny, počáteční koncentrace v pevné fázi byla předpokládána rovna Uex = 1×10-4 mol/kg. Je zřejmé, že použití U-233 jako značkovače přináší kromě výhod (poměrně nízká cena stanovení, větší přesnost než stanovení pomocí ICP-MS) i obtíže při vyhodnocení, protože sledovaný záchyt U-233 je třeba spojit s kinetikou rozhodujícího děje, protože u U-233 jde v našem případě vždy ještě o izotopovou výměnu. K odstranění těchto potíží může sloužit např. model kinetiky
42
“odkrývání” vyměnitelného množství uranu, který by bylo možno odvodit z kinetické závislost Uex, k tomu máme již k dispozici – jak vyplývá z Tabulky 6 - první experimentální body. Pro nejbližší úsek práce jsme však zvolili postup, ve kterém je kolize izotopové výměny s kinetikou uvolňování/záchytu minimalizována.
q , mol/kg
1,6E-04
1,4E-04
V /m = 20 ml/g 1,2E-04
1,0E-04
8,0E-05
6,0E-05
4,0E-05 0,0E+00
2,5E-06
5,0E-06
7,5E-06
1,0E-05
C , mol/L
Obr. 13 Rovnovážný diagram interakce uranu s materiálem hlušiny – k diskuzi kinetických experimentů Tento postup vyplývá z následující úvahy: pokud uvedeme systém před prováděním kinetického experimentu do izotopové rovnováhy Unat/U-233, budeme sledovat měřením změny aktivity U-233 změnu koncentrace celkového uranu v měřené fázi. V případě, že se chceme co nejvíce přiblížit reálnému systému je potom vhodné tuto nastavovanou rovnováhu hledat v okolí průsečíku rovnovážné závislosti s přímkou znázorňující v rovnovážném diagramu počáteční kapacitu (Uex) – v Obr. 13 znázorněno velkým kroužkem. Takovéto experimenty jsme provedli, jak vyplývá i z přehledu na straně 31, jak ve statickém, tak v dynamickém uspořádání. Pro experimenty v míchaném reaktoru je následný průběh kinetiky desorpce (vyluhování roztokem SAV) znázorněn na Obr. 11, kde je provedeno porovnání s obdobným desorpčním experimentem, provedeným ale bez přítomnosti U-233 (měřeno pomocí ICP-MS). Rozdíl v průběhu kinetik po ekvilibraci 14 a 28 dní (při ekvilibraci naopak došlo k přibližně stejnému záchytu U333: po době ekvilibrace 14 dní (45,6 ± 2,2) % a po dvojnásobně dlouhé ekvilibraci (47,2 ± 1,2) %) je možno vysvětlit slabší vazbou U-233 s pevnou fází podmíněnou výměnou jenom s povrchově vázaným přírodním uranem pro kratší dobu ekvilibrace – následná kinetika desorpce U-233 je tedy rychlejší než v případě delší ekvilibrace.
43
Shoda kinetiky desorpce pro dobu ekvilibrace 28 dní s kinetikou desorpce s uvažovanou hodnotou Uex = 1×10-4 mol/kg naznačuje, že systém je po 28 dnech již skutečně blízko celkové rovnováhy, ovšem větší rychlost uvolňování uranu v přírodním systému pro kratší doby kontaktu, což je patrné z Obr. 11, nelze na základě této úvahy vysvětlit.
3.3
Dynamické experimenty
V návaznosti na poznatky získané z vyhodnocení vsádkových experimentů je v současné době prováděna sada dynamických experimentů, které mají, s ohledem na náš záměr modelovat zkoumaný systém, vést k získání nezbytných podkladů pro ověření, resp. k modifikaci, naší metodiky modelování. Experimenty jsou vedeny na kolonkách o světlosti 0,9 cm s použitím peristaltického čerpadla PCD 22M, které podle údajů výrobce (Kouřil – Dávkovací čerpadla, Kyjov) poskytuje tlak na výstupu minimálně 50 kPa, rozsah průtokové rychlosti je od 0,001 do 12 ml/min. Nastavení výkonu je velmi přesné pomocí třímístného číslicového přepínače.
C /C init
1
HA = 0; Vlin - 4.1e-5 m/s 0,75
HA = 10 mg/L; Vlin = 3.7e-5 m/s (V/V0: 070); Vlin = 7e-6 m/s (V/VO: 70-135)
0,5
0,25
0 0
25
50
75
100
125
150
V /V 0
Obr. 14 Průběh dynamických loužících experimentů V první dvojici experimentů jsme sledovali po uvedení systému blízko k izotopové rovnováze cca jednotýdenním kontaktem pevné fáze se sytícím obsahujícím U-233, v němž počáteční celková koncentrace uranu se blížila předpokládané rovnovážné koncentraci odpovídající Uex (C(Uadded) = 7,5×10-6 mol/l), vliv přítomnosti HA v loužícím roztoku (model přírodní vody SAV – bez přidání uranu!). Výsledky těchto experimentů jsou znázorněny na Obr. 14 včetně lineární průtokové rychlosti, navážka pevné fáze byla 5 g, výška vrstvy 5,5 cm.
44
Z experimentálního průběhu je patrný výrazně kinetický charakter interakčního děje. Pro křivku odpovídající loužícímu roztoku bez přítomnosti HA jsou to “zuby”, které vznikly v důsledku zastavení experimentu během noci. Pro druhou křivku, které odpovídá koncentraci huminové kyseliny v loužícím roztoku C(HA) = 10 mg/l, bylo zvýšení vystupující koncentrace pro V/V0 > 70 způsobeno výrazným zpomalením průtoku, které bylo důsledkem technické závady (ucpání vrstvy – zřejmě kumulací HA), toto zjištění také potvrzuje kinetický charakter interakčního procesu. Z integrálního hlediska není vliv přítomnosti huminové kyseliny významný, i když oba experimenty nebyly vedeny se stejnými průtokovými rychlostmi. Tento poznatek odpovídá i nevýraznému vlivu přítomnosti HA na rovnováhu a kinetiku interakce.
3.4
Modelování interakce uranu v systému hlušinový materiál + modelová přírodní voda
Jak bylo naznačeno v odstavci o prvních experimentech, máme k dispozici prostředky pro výpočet speciace uranu v systému – pro specifický systém uvedený v nadpise budou takové výpočty provedeny v rámci přípravy diplomové práce, která byla na studium tohoto systému zadána, na začátku r. 2004. V laboratoři máme také k dispozici dva programové systémy pro modelování dynamiky sorpce (široce užívaný program CXTFIT [9] a vlastní systém MIV1D, který jsme použili např. v práci [10]) – oba tyto systémy budou aplikovány v průběhu r. 2004, až bude dokončeno vyhodnocování kinetických závislostí a až bude k dispozici větší počet dokončených dynamických experimentů. C /C o
1
A
0.9
V /m = 100 ml/g
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4
V /m = 10 ml/g
0.3 0.2 0
100
200
300
čas, h
Obr. 15 - Modelování kinetiky záchytu U-233 pro různé počáteční koncentrace uranu v kapalné fázi (A: C(Uadded) = 9,7×10-6 mol/l, C(U-233) = 1,1×10-6 mol/l)
45
C /C o
1
B 0.9 0.8
V /m = 100 ml/g 0.7 0.6 0.5 0.4
V /m = 10 ml/g
0.3 0.2 0
100
200
300
čas, h
Obr. 15 - Modelování kinetiky záchytu U-233 pro různé počáteční koncentrace uranu v kapalné fázi (B: C(Uadded) = C(U-233) = 3,3×10-6 mol/l) Doposud jsme, v oblasti modelování, věnovali úsilí vyhodnocení souboru kinetických závislostí záchytu U-233 vlastním programovým systémem KINET.PAS, který dovoluje vybrat nejvhodnější tvar kinetické funkce – ze šesti zadaných jednoparametrických funkcí popisujících interakci v heterogenním systému. Jako i v jiných studiích sorpce na přírodní materiál se nám nejvhodnější ukázal model difúze inertní vrstvou, který zohledňuje difúzní charakter transportu dovnitř sorbující částice. Výsledky tohoto modelování nelze zatím považovat za plně vyhovující, jak naznačují průběhy experimentálních a modelovaných kinetik prezentovaných na Obr. 15. Zpřesnění tohoto modelování a pokusu o převod modelu kinetiky záchytu U-233 na model interakce Utotal bude také věnována zmíněná zadaná diplomová práce.
46
4
Literatura
(a)
Mizera J., Beneš P., Masnerová G.: Electrophoretic Determination ofthe Degree of Eu Complexation by Humic Acid: Analysis and Assessment of Experimental Error. In: G.Buckau (ed.), Humic Substances in Performance Assessment of Nuclear Waste Disposal: Actinide and Iodine Migration in the Far-Field. First Technical Progress Report, Wissenschaftliche Berichte FZKA 6800, Forschungszentrum Karlsruhe, April 2003, pp. 191-202.
(b)
Štamberg K., Beneš P., Mizera J., Dolanský J., Vopálka D., Chalupská K.: Modelling of Metal-Humate Complexation Based on the Mean Molecular Weight and Charge of Humic Substances – Application for Eu(III) Humate Complexes Using Ion Exchange Method. J. Radioanal. Nucl. Chem. 258, 329-345 (2003)
(c)
Hummel, J.P., Dreyer, W.J.: Biochim. Biophys. Acta 63, 530 (1962)
(d)
Parsons, D.L,: J.Chromatography 193, 520 (1980)
(e)
Štamberg K., Beneš P., Mizera J., Vopálka D., Procházková Š.: Radiotracer Study of Kinetics of Complexation and Decomplexation of Eu(III) with Humic Acid Using the Ion Exchange Method. J. Radioanal. Nucl. Chem. 258, 347-360 (2003)
(f)
Torres R.A., Choppin G.: Radiochim. Acta 35, 143-148 (1984)
(g)
Czerwinski K.R. et al.: Radiochim. Acta 65, 111-119 (1994)
(h)
Schmeide K., Geipel G., Heise K.H., Bernhard G.: Uranium mining waste rock pile No. 250 in the region Schlema/Alberoda (Saxony, Germany). In: G.Buckau (ed.), Humic Substances in Performance Assessment of Nuclear Waste Disposal: Actinide and Iodine Migration in the Far-Field. First Technical Progress Report, Wissenschaftliche Berichte FZKA 6800, Forschungszentrum Karlsruhe, April 2003, s. 79-98.
(i)
Toride N., Leij F.J., Vangenuchten M .T.: The CXTFIT code for estimating transport parameters from laboratory or field tracer experiments. Version 2.1. Research Report No. 137, U.S. Salinity Laboratory Agricultural Research Service - U.S. Department of Agriculture, Riverside, California 1999, 119 s.
(j)
Štamberg K., Vopálka D., Beneš P., Slávik O.: A simplified approach to modelling underground migration of radionuclides from contaminated river sediments. J. Contam. Hydrol. 226, No. 1-4, 301-307 (1997)
47
Správa úložišť radioaktivních odpadů Dlážděná 6, 110 00 Praha 1 Tel. 221 421 511 E-mail:
[email protected] www.surao.cz
