Ricercatori Stampa 3D per la rimozione di contaminanti con monoliti di zeolite stampati in 3D
Ricercatori internazionali esplorano i metodi per rimuovere i contaminanti nel loro recente pubblicato ” Decontaminazione delle acque reflue nucleari da monoliti di zeolite gerarchica stampata in 3D “. Concentrandosi sulle specie cationiche radioattive, 137 Cs + e 90 Sr 2+ , questo studio porta una maggiore esposizione alla necessità di una rimozione selettiva dei radionuclidi.
Tornando alle catastrofi verificatesi a Chernobyl nel 1986 e all’impianto di Fukushima Daiichi nel 2011, il team di ricerca ci ricorda l’intenso bisogno di gestire correttamente le scorie nucleari. I due radionuclidi, 137 C e 90 Sr, sono i “più probabili contaminare i corpi idrici” – con 137 C che sono una grande parte della pulizia di Fukushima; tuttavia, le zeoliti di alluminosilicato svolgono un ruolo importante nel trattamento e nella rimozione dei contaminanti.
“Il trattamento dei rifiuti nucleari può essere impegnativo, in alcuni casi i radionuclidi devono essere rimossi da soluzioni altamente radioattive che sono anche estremamente acide o caustiche, dove le zeoliti naturali soffrono a causa della loro natura di alluminosilicati”, spiegano gli autori. “Vari materiali sintetici come titano, zircono-silicati o ossidi metallici sono stati sviluppati e si sono dimostrati più utili in questi casi.”
Dichiarando di aver creato una “soluzione rivoluzionaria”, gli autori presentano un metodo per la stampa 3D di monoliti di scambiatori di ioni. Sottolineando che la tecnologia è stata utilizzata in numerose applicazioni per fabbricare nanotubi , nanoparticelle e una varietà di prodotti piezoelettrici , la stampa 3D viene utilizzata anche in applicazioni asciutte per quanto riguarda l’assorbimento, la separazione e altro del gas.
“Ad oggi, nessun monolito di zeolite stampato in 3D è stato prodotto specificamente per lo scambio ionico di mezzi acquosi in cui dovrebbero essere sia insolubili che stabili per quanto riguarda la ritenzione della forma nel tempo se esposti all’acqua”, hanno affermato i ricercatori.
L’elaborazione della luce digitale (DLP) è stata utilizzata in questo lavoro, consentendo la personalizzazione e il controllo richiesti su problemi come la porosità. Il team di ricerca ha mescolato monomeri fotopolimerizzabili con polvere di zeolite, sfruttando la capacità di modificare le proprietà del legante in termini di:
estensibilità
Reattività alla temperatura
idrofobicità
Sono stati stampati due campioni cilindrici di zeolite, sotto forma di chabazite sintetica e zeolite commerciale 4A. Per la zeolite stampata in 3D era fondamentale consentire alla soluzione di fluire attraverso la colonna, con la matrice polimerica che consentiva l’accesso ai cationi.
Con l’obiettivo finale di poter rimuovere Cs o Sr, il team ha testato i campioni per lo scambio ionico (usando SEM-EDX, Infinite Focus Microscopy (IFM), XRD e X-ray Fluorescence (XRF)).
Nel complesso, i monoliti hanno mostrato “una buona stabilità meccanica e i ricercatori hanno confermato che la stampa 3D DLP offriva il controllo necessario necessario, consentendo anche loro di creare il giusto grado di porosità e una buona struttura della matrice interna.
“Nel caso del trattamento delle scorie nucleari, oltre ai vantaggi sopra menzionati, le colonne stampate consentono una manipolazione semplice e sicura dello scambiatore di ioni contaminato e possono ridurre significativamente i rischi e le difficoltà che sorgono quando si tratta di polveri contaminate radioattive”, ha concluso i ricercatori. “Non abbiamo testato la stabilità radiologica della matrice polimerica, ma poiché i cationi radioattivi sono intrappolati all’interno delle particelle di zeolite inorganica, non ci aspetteremmo alcun rilascio di questi nell’ambiente anche con degradazione dei polimeri.
“Il polimero non dovrebbe inoltre interferire in modo significativo con la conversione termica degli scambiatori esauriti in forme di rifiuti ceramici o vetrosi poiché verrebbe prontamente ossidato durante il processo senza rilascio di radionuclidi.”
Immagini IFM del monolito stampato in 3D (a) prima e (b) dopo lo scambio di ioni Cs e le misurazioni del loro profilo. Immagini SEM di monoliti stampati in 3D scambiati Cs (a) una panoramica (b) vista laterale (c) vista dall’alto dell’asta presa dalla griglia 
(a) Curva TGA di 3D-CHA. (bec) Confronto tra il PXRD delle polveri di zeolite e le strutture stampate integrate in zeolite (b) 3D-CHA e polvere di chabazite pura; (c) 3D-4A e polvere di zeolite pura 4A. I motivi dei sistemi stampati sono stati compensati per chiarezza. (d – f) isoterme di adsorbimento N2 di (d) 3D-CHA; (e) la pura polvere di chabazite; (f) il polimero stampato. 
(a) Panoramica schematica del processo di stampa; la prima dispersione della zeolite è stata formata all’interno dei monomeri polimerizzabili e del solvente porogenico, quindi la formulazione è stata stampata in 3D con il metodo DLP. (bec) Le strutture monolitiche stampate con zeolite incorporate.