Sole gadolinu w wodzie: rozpuszczalność, usuwanie i zatężanie
Chlorek i azotan gadolinu mogą wprowadzać do wody rozpuszczony gadolin, natomiast węglan, szczawian, fosforan i fluorek są trudno rozpuszczalnymi substancjami stałymi. Dobór procesu usuwania lub zatężania wymaga czegoś więcej niż oznaczenia całkowitego stężenia gadolinu: znaczenie mają postać chemiczna, pH i inne substancje rozpuszczone.
Niniejszy przewodnik omawia powszechnie dostępne w handlu sole gadolinu oraz praktyczne obliczenia dotyczące uzdatniania wody. Informacje o występowaniu gadolinu i drogach jego przemieszczania się w środowisku znajdują się na stronie Gadolin w wodzie.
Powszechnie stosowane sole gadolinu i ich rozpuszczalność w wodzie
Tabela opisuje zachowanie jakościowo, a nie podaje uniwersalnego stężenia nasycenia. Temperatura, postać hydratu, kwasowość i substancje kompleksujące mogą wpływać na ilość rozpuszczającej się soli. Przy sporządzaniu roztworów lub projektowaniu procesu należy korzystać z danych dotyczących konkretnego produktu i warunków pracy.
| Sól | Wzór reprezentatywny | Zachowanie w wodzie | Znaczenie praktyczne |
|---|---|---|---|
| Sześciowodny chlorek gadolinu(III) | GdCl3·6H2O | Rozpuszczalny w wodzie. | Rozpuszczalne źródło Gd(III); hydrat zawiera mniej gadolinu w przeliczeniu na gram niż bezwodny chlorek. |
| Sześciowodny azotan gadolinu(III) | Gd(NO3)3·6H2O | Bardzo dobrze rozpuszczalny. | Przy sporządzaniu roztworu należy uwzględnić zarówno ilość gadolinu, jak i azotanów. |
| Ośmiowodny siarczan gadolinu(III) | Gd2(SO4)3·8H2O | Rozpuszczalny w zimnej wodzie. | Przed zatężaniem roztworu należy sprawdzić zależność rozpuszczalności od temperatury oraz chemię siarczanów. |
| Hydrat węglanu gadolinu(III) | Gd2(CO3)3·xH2O | Trudno rozpuszczalny w wodzie. | Zawiesina substancji stałej nie jest równoważna rozpuszczonemu gadolinowi; zmienny stopień uwodnienia wpływa na obliczenia masowe. |
| Hydrat szczawianu gadolinu(III) | Gd2(C2O4)3·xH2O | Trudno rozpuszczalny w wodzie; rozpuszczalność zależy od kwasowości i stężenia szczawianów. | Istotny dla strącania i odzysku; konieczny jest pomiar pozostałego rozpuszczonego gadolinu. |
| Fosforan gadolinu(III) | GdPO4, także w postaciach uwodnionych | Bardzo mała rozpuszczalność w wodzie. | Powstanie substancji stałej może przenieść gadolin do osadu, nie powodując zniszczenia pierwiastka. |
| Fluorek gadolinu(III) | GdF3 | Trudno rozpuszczalny w wodzie. | W procesie uzdatniania i postępowaniu z pozostałościami należy uwzględnić zarówno fluorki, jak i gadolin. |
Rozpuszczone sole różnią się od chelatów gadolinu
Gadolin w tych solach jest przede wszystkim trójwartościowy, Gd(III). Po rozpuszczeniu jego udział w postaci uwodnionych jonów, kompleksów i substancji stałych zależy od składu wody. Nazwa pierwotnie dodanej soli nie opisuje wszystkich form chemicznych obecnych później.
Środki kontrastowe do obrazowania MRI zawierające gadolin wiążą go w ligandach organicznych. Chelaty te mogą pozostawać w roztworze i zachowywać się inaczej niż nieskompleksowany Gd(III). Proces przebadany z użyciem chlorku gadolinu nie dowodzi zatem równie skutecznego usuwania nienaruszonego środka kontrastowego. Badania ścieków wykazały niecałkowite usuwanie gadolinu pochodzącego ze środków kontrastowych oraz znaczenie analizy poszczególnych związków.
Usuwanie gadolinu z wody
Oddzielanie substancji stałych i strącanie
Sedymentacja i filtracja mogą oddzielać cząstki zawierające gadolin; same w sobie nie dowodzą usunięcia rozpuszczonych form chemicznych. Jeśli warunki chemiczne umożliwiają powstanie trudno rozpuszczalnej soli, strącanie, a następnie oddzielanie substancji stałych może przenieść gadolin do osadu nadającego się do odzysku lub unieszkodliwienia. Badania szczawianu i fosforanu gadolinu ilustrują tę chemię, ale żadne z nich nie wyznacza uniwersalnego pH procesu ani dawki reagenta dla ścieków.
W rzeczywistej wodzie należy zbadać pozostałe stężenie gadolinu rozpuszczonego i całkowitego, zużycie reagentów, oddzielanie substancji stałych oraz możliwość ponownego rozpuszczenia. Silne kompleksowanie może uniemożliwiać zachowanie oczekiwane dla roztworu prostej soli. Dodanie reagenta strącającego zmienia też skład uzdatnionej wody i wytwarza pozostałość wymagającą odpowiedniego zagospodarowania.
Adsorpcja i wymiana jonowa
Można rozważyć adsorpcję i wymianę jonową w celu usuwania rozpuszczonego gadolinu. Materiał należy dobrać do obecnych form chemicznych: dodatnio naładowana forma Gd(III) oraz obojętny lub ujemnie naładowany chelat nie muszą wiązać się z tym samym materiałem. Jony konkurencyjne, materia organiczna, pojemność, przebicie złoża i regeneracja decydują o skuteczności w praktyce. Najnowsze badania nad wychwytywaniem gadolinu stosowanego w medycynie podkreślają konieczność badania konkretnych chelatów w realistycznych warunkach konkurencji jonowej.
Do oceny procesu przydatne są dane o przepływie, pH, temperaturze, stężeniu gadolinu całkowitego i rozpuszczonego, głównych jonach, materii organicznej oraz wszelkich znanych środkach kontrastowych lub innych ligandach. Wyniki badań laboratoryjnych i pilotażowych powinny określić osiągalne stężenie w odpływie oraz skład zużytego materiału, roztworu regeneracyjnego lub osadu.
Stężenie: mg/L w przeliczeniu na Gd a mg/L soli
Stężenie gadolinu jako pierwiastka i stężenie soli to różne wielkości. Przyjmując masę atomową gadolinu równą 157,25 g/mol:
mg/L w przeliczeniu na Gd = mg/L soli × (liczba atomów Gd w jednostce wzoru chemicznego × 157,25) / masa molowa soli.
| Odważona czysta sól | Przybliżona masa molowa | Gadolin z 100 mg/L soli |
|---|---|---|
| Bezwodny GdCl3 | 263,60 g/mol | 59,7 mg/L w przeliczeniu na Gd |
| GdCl3·6H2O | 371,69 g/mol | 42,3 mg/L w przeliczeniu na Gd |
| Gd(NO3)3·6H2O | 451,35 g/mol | 34,8 mg/L w przeliczeniu na Gd |
W przykładach założono użycie wskazanych czystych hydratów i ich całkowite rozpuszczenie. Należy uwzględnić oznaczoną zawartość substancji w produkcie, wilgoć oraz część, która się nie rozpuściła. Stężenie gadolinu wynoszące 1 mmol/L odpowiada 157,25 mg/L w przeliczeniu na Gd. Oznaczenie całkowitego gadolinu nie pozwala ustalić, z jakiej soli lub jakiego chelatu on pochodzi.
Zatężanie i odzyskiwanie gadolinu
Usuwanie gadolinu z głównego strumienia wody i odzyskiwanie go w postaci użytecznego produktu to odrębne cele. Wychwycony osad lub zużyty roztwór regeneracyjny może zawierać inne pierwiastki ziem rzadkich i zanieczyszczenia. Samo zatężenie nie przesądza o czystości produktu ani o jego wartości handlowej.
Dla zilustrowania bilansu masy: 1 m3 wody o stężeniu 10 mg/L w przeliczeniu na Gd zawiera 10 g gadolinu. Wychwycenie 90% tej masy w końcowej objętości cieczy wynoszącej 10 L dałoby stężenie 900 mg/L w przeliczeniu na Gd, czyli 90-krotne zatężenie. To wynik obliczenia, a nie oczekiwana wydajność procesu oczyszczania. Przy ocenie rzeczywistego procesu należy uwzględnić wszystkie strumienie odpływowe, pozostałe osady i straty.
Źródła
- ProChem: heksahydrat chlorku gadolinu, azotan gadolinu i fluorek gadolinu.
- Thermo Scientific Chemicals: oktahydrat siarczanu gadolinu.
- American Elements: związki gadolinu i hydrat węglanu gadolinu.
- Savannah River National Laboratory: Rozpuszczalność gadolinu w zależności od stężenia HNO3 i szczawianów.
- Synteza i charakterystyka pochłaniacza neutronów na bazie fosforanu gadolinu.
- Analiza specjacyjna i analiza metodą rozcieńczenia izotopowego środków kontrastowych na bazie gadolinu w ściekach.
- Zrównoważona strategia zapobiegania przedostawaniu się gadolinu pochodzącego z zastosowań medycznych do wód powierzchniowych.
- Royal Society of Chemistry: dane atomowe gadolinu.