Gadoliniumzouten in water: oplosbaarheid, verwijdering en concentratie
Gadoliniumchloride en -nitraat kunnen opgelost gadolinium in water brengen, terwijl carbonaat, oxalaat, fosfaat en fluoride slecht oplosbare vaste stoffen zijn. Voor de keuze van een verwijderings- of concentratieproces volstaat een meting van het totale gadoliniumgehalte niet: de chemische vorm, de pH en andere opgeloste stoffen zijn van belang.
Deze gids behandelt veelvoorkomende, commercieel verkrijgbare gadoliniumzouten en praktische berekeningen voor waterbehandeling. Zie voor het voorkomen en de verspreidingsroutes in het milieu gadolinium in water.
Veelvoorkomende gadoliniumzouten en hun oplosbaarheid in water
De tabel beschrijft kwalitatief gedrag, geen algemeen geldende verzadigingsconcentratie. Temperatuur, hydraatvorm, zuurgraad en complexvormende stoffen kunnen de hoeveelheid die oplost beïnvloeden. Gebruik bij het bereiden van oplossingen of het ontwerpen van een proces gegevens voor het specifieke product en de bedrijfsomstandigheden.
| Zout | Representatieve formule | Gedrag in water | Praktische relevantie |
|---|---|---|---|
| Gadolinium(III)chloride-hexahydraat | GdCl3·6H2O | Oplosbaar in water. | Een oplosbare bron van Gd(III); het hydraat bevat per gram minder gadolinium dan watervrij chloride. |
| Gadolinium(III)nitraat-hexahydraat | Gd(NO3)3·6H2O | Zeer goed oplosbaar. | Bij het bereiden van de oplossing moet rekening worden gehouden met zowel de gadolinium- als de nitraatbelasting. |
| Gadolinium(III)sulfaat-octahydraat | Gd2(SO4)3·8H2O | Oplosbaar in koud water. | Controleer de temperatuurafhankelijke oplosbaarheid en de sulfaatchemie voordat u een oplossing concentreert. |
| Gadolinium(III)carbonaathydraat | Gd2(CO3)3·xH2O | Slecht oplosbaar in water. | Een zwevende vaste stof is niet hetzelfde als opgelost gadolinium; variabele hydratatie beïnvloedt massaberekeningen. |
| Gadolinium(III)oxalaathydraat | Gd2(C2O4)3·xH2O | Slecht oplosbaar in water; de oplosbaarheid hangt af van de zuurgraad en de oxalaatconcentratie. | Relevant voor neerslagvorming en terugwinning; het resterende opgeloste gadolinium moet worden gemeten. |
| Gadolinium(III)fosfaat | GdPO4, ook gehydrateerde vormen | Zeer geringe oplosbaarheid in water. | Door vorming van een vaste stof kan gadolinium in slib terechtkomen, zonder dat het element wordt vernietigd. |
| Gadolinium(III)fluoride | GdF3 | Slecht oplosbaar in water. | Bij de behandeling en het beheer van reststoffen moet rekening worden gehouden met zowel fluoride als gadolinium. |
Opgeloste zouten verschillen van gadoliniumchelaten
Gadolinium in deze zouten is overwegend driewaardig, Gd(III). Na het oplossen hangt de verdeling over gehydrateerde ionen, complexen en vaste stoffen af van de samenstelling van het water. De naam van het oorspronkelijk toegevoegde zout beschrijft niet alle soorten die later aanwezig zijn.
MRI-contrastmiddelen op basis van gadolinium binden gadolinium in organische liganden. Deze chelaten kunnen opgelost blijven en zich anders gedragen dan niet-gecomplexeerd Gd(III). Een met gadoliniumchloride getest proces bewijst daarom niet dat een intact contrastmiddel in dezelfde mate wordt verwijderd. Onderzoek naar afvalwater heeft aangetoond dat gadolinium afkomstig van contrastmiddelen onvolledig wordt verwijderd en dat analyse per specifieke verbinding belangrijk is.
Gadolinium uit water verwijderen
Scheiding van vaste stoffen en neerslagvorming
Bezinking en filtratie kunnen gadoliniumhoudende deeltjes afscheiden; op zichzelf tonen ze niet aan dat opgeloste soorten worden verwijderd. Als de chemische omstandigheden de vorming van een slecht oplosbaar zout toelaten, kan neerslagvorming gevolgd door scheiding van vaste stoffen gadolinium overbrengen naar een vaste stof die kan worden teruggewonnen of afgevoerd. Onderzoek naar gadoliniumoxalaat en -fosfaat illustreert deze chemie, maar levert geen van beide een algemeen geldende pH of dosering voor afvalwater op.
Onderzoek in het betreffende water de resterende opgeloste en totale hoeveelheid gadolinium, het verbruik van reagentia, de scheiding van vaste stoffen en mogelijke heroplossing. Sterke complexvorming kan het gedrag verhinderen dat op basis van een eenvoudige zoutoplossing wordt verwacht. Toevoeging van een neerslagmiddel verandert ook het behandelde water en levert een reststof op die moet worden beheerd.
Adsorptie en ionenwisseling
Adsorptie en ionenwisseling kunnen worden onderzocht voor opgelost gadolinium. Kies media op basis van de aanwezige chemische soorten: een positief geladen Gd(III)-soort en een neutraal of negatief geladen chelaat hoeven niet aan hetzelfde medium te binden. Concurrerende ionen, organische stoffen, capaciteit, doorslag en regeneratie bepalen de prestaties in de praktijk. Recent onderzoek naar het afvangen van medisch gadolinium onderstreept de noodzaak om specifieke chelaten en realistische omstandigheden met concurrerende ionen te testen.
Voor een procesbeoordeling zijn onder meer het debiet, de pH, de temperatuur, het totale en opgeloste gadoliniumgehalte, de belangrijkste ionen, organische stoffen en eventuele bekende contrastmiddelen of andere liganden nuttige gegevens. Laboratorium- en pilotproeven moeten de haalbare concentratie in het effluent en de samenstelling van uitgeputte media, regeneratievloeistof of slib vaststellen.
Concentratie: mg/L als Gd versus mg/L zout
De concentratie elementair gadolinium en de zoutconcentratie zijn verschillende grootheden. Uitgaande van een atoommassa van gadolinium van 157,25 g/mol:
mg/L als Gd = mg/L zout × (aantal Gd-atomen per formule-eenheid × 157,25) / molaire massa van het zout.
| Afgewogen zuiver zout | Benaderde molaire massa | Gadolinium uit 100 mg/L zout |
|---|---|---|
| Watervrij GdCl3 | 263,60 g/mol | 59,7 mg/L als Gd |
| GdCl3·6H2O | 371,69 g/mol | 42,3 mg/L als Gd |
| Gd(NO3)3·6H2O | 451,35 g/mol | 34,8 mg/L als Gd |
Deze voorbeelden gaan uit van het vermelde zuivere hydraat en volledige oplossing. Corrigeer voor het gehalte van het product, vocht en een eventuele niet-opgeloste fractie. Een gadoliniumconcentratie van 1 mmol/L komt overeen met 157,25 mg/L als Gd. Een analyse van totaal gadolinium geeft niet aan welk zout of chelaat de bron ervan was.
Gadolinium concentreren en terugwinnen
Verwijdering uit de hoofdwaterstroom en terugwinning als bruikbaar product zijn afzonderlijke doelstellingen. Een afgescheiden vaste stof of regeneratievloeistof kan andere zeldzame aardmetalen en verontreinigingen bevatten. Alleen de concentratie zegt niets over de zuiverheid of commerciële waarde van het product.
Ter illustratie van een massabalans: 1 m3 water met een concentratie van 10 mg/L als Gd bevat 10 g gadolinium. Als 90% van die massa wordt opgevangen in een eindvolume van 10 L vloeistof, resulteert dat in 900 mg/L als Gd, een concentratiefactor van 90. Dit is een berekening, geen te verwachten zuiveringsrendement. Neem bij de beoordeling van een werkelijk proces alle uitgaande stromen, resterende vaste stoffen en verliezen mee.
Bronnen
- ProChem: gadoliniumchloride-hexahydraat, gadoliniumnitraat en gadoliniumfluoride.
- Thermo Scientific Chemicals: gadoliniumsulfaat-octahydraat.
- American Elements: gadoliniumverbindingen en carbonaathydraat.
- Savannah River National Laboratory: Oplosbaarheid van gadolinium als functie van HNO3 en oxalaat.
- Synthese en karakterisering van een neutronenabsorber op basis van gadoliniumfosfaat.
- Speciatie en isotopenverdunningsanalyse van contrastmiddelen op basis van gadolinium in afvalwater.
- Duurzame strategie om te voorkomen dat gadolinium uit medische toepassingen in oppervlaktewater terechtkomt.
- Royal Society of Chemistry: atoomgegevens van gadolinium.