Brevet FR2669460A1 — publié le 19920522

PROCEDE DE SEPARATION DU RUTHENIUM ET EVENTUELLEMENT DU CESIUM ET DU COBALT PRESENTS DANS UNE SOLUTION AQUEUSE TELLE QU'UN EFFLUENT PROVENANT D'UNE INSTALLATION DE RETRAITEMENT DE COMBUSTIBLES IRRADIES DESCRIPTION La présente invention a pour objet un procé- dé de séparation du ruthénium présent dans une solu- tion aqueuse. Elle s'applique notamment à l'élimination du ruthénium présent dans des solutions aqueuses telles que les effluents provenant d'installations de retraitement de combustibles nucléaires irradiés. Elle peut aussi être utilisée pour faciliter la détection et L'analyse de la teneur en ruthénium des eaux naturelles, par exempte de l'eau de mer. Le ruthénium représente 6 % de la masse totale des radio-isotopes artificiels produits dans les réacteurs électronucléaires et se retrouve donc dans le cycle de retraitement de combustibles nucléaires irradiés. Le ruthénium a quatre isotopes dont les nombres de masse sont 103, 105, 106 et 107 et dont les périodes radioactives sont respectivement 39,8 jours, 4,5 heures, I an et 4 minutes. Etant donné la courte période des isotopes Ru et 107 Ru, et te temps nécessaire au retraitement des combustibles irradiés, seuls 103 Ru et 106 Ru sont à considérer. La structure électronique du ruthénium lui permet de prendre tous les états d'oxydation possibles entre I et VIII, les plus stables étant III et IV. Sous toutes ses formes, le ruthénium est susceptible de former de nombreux complexes dont certains sont très stables et très difficilement hydrolysables, ce qui pose des problèmes pour éliminer le ruthénium des effluents aqueux d'usines de retraitement de combustibles nucléaires irradiés. Dans ces usines de retraitement, le combus- tible irradié est dissous dans de l'acide nitrique concentré; aussi le ruthénium est oxydé dans un premier temps à sa valence maximale sous forme de tétroxyde Ru O 4 Ce composé peu stable et très volatile réagit facilement avec les ligands réducteurs contenus dans le milieu, soit: N 202 2 NO N 204 i e 2 N 02=N 03 + NO+ N 203 = N 02 + NO+ Le ruthénium réagit en priorité avec les cations nitrosyle (NO+) présents en majorité dans le milieu acide Ces liaisons sont stabilisées par une rétrocoordination g'métat-ligand très marquée, favorisée par la charge de NO+ comme on l'a observé en spectrométrie Mossbauer Il en résulte une entité stable Ru(II) NO 3 + majoritaire par rapport à Ru(III)NO 3 + formé à partir du groupement neutre NO. Ainsi, les complexes présents en solution sont donc pour ta plupart des complexes nitrosyle du Ru(II) qui sont généralement mononucléaires et hexacoordinés, les autres ligands étant essentiellement des groupes nitrato(N 03), nitro(N 02, N 02-), hydroxy(OH-) et aquo(H 20). Parmi ces complexes, les complexes nitro du nitrosyl-ruthénium répondant à la formule générale: Ru NO (NO 2)x (NO 3)y (H 20)2 (OH)t dans laquelle x, y et t sont tels que x + y + t = 3 sont très difficiles à séparer, car ils sont en effet très stables et très difficilement hydrolysab Les. Dans les procédés habituels de retraitement de combustibles nucléaires irradiés, on isole les produits de fission en formant des complexes de ceux- ci avec le tributyt Lphosphate et on Les extrait à l'aide d'un solvant organique spécifique non polaire et de faible densité. Dans Le cas des complexes nitro du nitrosyl-ruthénium, et en particulier du dérivé tétra- nitro Ru NO(N 02)40 H 2-, il est impossible de substituer les groupements NO 2 et OH par des ligands tributyl- phosphate et ce type de complexe reste donc dans la phase aqueuse. Il est difficile ensuite de l'éliminer par les traitements classiques de décontamination tels que la précipitation au sulfure de cobalt en milieu acide ou basique Le couple 106 Ru- Rh rentre dans la composition des effluents de l'usine de La Hague à raison de 80 % de L'activité des radionucléides émetteurs De même, il est difficile d'extraire ces complexes nitro du nitrosyl-ruthénium par des adsor- bants à base d'oxyhydroxydes, car ils ne s'hydrolysent que très Lentement Aussi, un autre problème rencontré avec le ruthénium réside dans la difficulté de mesurer avec précision l'activité du ruthénium dans les échan- tillons d'eau anatysés puisque L'on a du mal à l'iso- ler. En effet, le procédé utilisé actuellement pour analyser le ruthénium dans les eaux naturelttes utilise une co-precipitation par le bioxyde de manga- nèse La détermination du taux de césium de l'eau peut s'effectuer conjointement par incorporation de ferrocyanure double de cobalt-potassium en poudre, car les ions Cs+ qui ne présentent aucune affinité pour le bioxyde s'échangent uniquement avec les ions hydratés Co(H 20)62 + en surface des grains de ferro- cyanure. Cependant, ce procédé ne permet pas d'ex- traire les nitrocomplexes du ruthénium et te rendement de l'opération pour un échantiltlon standard de 115 l ne dépasse pas 50 à 60 % du ruthénium effectivement présent On ne peut ainsi analyser que les formes hydrolysées du nitrosyl-ruthénium adsorbab Les sur le bioxyde de manganèse, car le ruthénium n'est pas extrait par le ferrocyanure double de cobalt-potassium du commerce sous forme de poudre. La présente invention a précisément pour objet un procédé de séparation du ruthénium present dans une solution aqueuse qui permet d'extraire prati- quement tout le ruthénium, même sous La forme de complexes nitro du nitrosyl-ruthénium, ce qui est très intéressant pour Le traitement d'effluents aqueux et pour La détermination du ruthénium présent dans des échantillons d'eau. Se Lon L'invention, le procédé de séparation du ruthénium présent dans une solution aqueuse consiste à mettre en contact cette solution avec un ferrocyanure de métat alcatin pour échanger Le fer du ferrocyanure par le ruthénium et former ainsi un ruthénocyanure, et à séparer le ruthénocyanure ainsi formé. Le procédé de l'invention repose ainsi sur une réaction d'échange entre Fe(II) et Ru(II) selon la réaction suivante: Fe(II)CN 64 + Ru(II)NO 3 + i Ru(II)CN 64 + Fe(II)NO 3 + Cette réaction peut se produire en raison de La similitude entre l'ion Fe(II) CN 64 et l'ion Ru(II) NO 3 + tant du point de vue du degré d'oxydation du métal que du type de ligand mis en jeu. De preference, on réalise cette réaction d'échange avec un excès de ferrocyanure de métal alcalin pour transformer tout le ruthénium des complexes de ruthénium en ruthénocyanure. Le ferrocyanure de métal alcatin peut être par exemple le ferrocyanure de potassium ou le ferro- cyanure de sodium On utilise de préférence le ferro- cyanure de sodium. Généralement, La quantité de ferrocyanure de métat alcalin utilisée est d'au moins 4 10-4 mol/l et de preférence d'au moins 4 10-3 mol/l pour entrahîner la totalité du ruthénium. Se Lon l'invention, on peut séparer le ruthé- nocyanure ainsi formé soit par précipitation au moyen d'un réactif approprié, soit par fixation sur une résine échangeuse d'anions, soit par évaporation de la solution. Aussi, selon un premier mode de mise en oeuvre uu procédé de L'invention, celui-ci comprend les étapes suivantes: a) ajouter à La solution aqueuse contenant le ruthénium un ferrocyanure de métal alcalin pour échanger le fer du ferrocyanure par le ruthénium, b) ajouter à cette solution un sel de cuivre pour former un précipité de ferrocyanure double de métal atcatin et de cuivre entraînant le ruthénium, et c) séparer le précipité ainsi obtenu. Ainsi, avec te procédé de l'invention, on peut séparer le ruthénium sur un précipité de ferrocyanure double, alors que ceci est impossible lorsqu'on ajoute directement du ferrocyanure double en poudre du commerce. Dans ce premier mode de mise en oeuvre du procédé de L'invention, on peut utiliser divers sels de cuivre, en particulier, le nitrate de cuivre. Pour former Le ferrocyanure double de métal atcalin et de cuivre, par exemple le ferrocyanure double Fe(CN)6 Cu 2, Fe(CN)6 k 4, il est primordial d'utiliser suffisamment de cuivre pour précipiter la totalité des ferrocyanures présents. Aussi, le rapport molaire sel de cuivre/ferrocyanure de métal atcatin est de préference d'au moins 2. Si on utilise le ferrocyanure de potassium, le rapport motaire set de cuivre/ferrocyanure de potassium est de préférence au moins égal à 3. Dans Le cas du ferrocyanure de sodium, Le rapport motaire est de préférence au moins éga L à 2. Dans ce premier mode de mise en oeuvre du procédé de L'invention, Le p H de La solution aqueuse influence Le rendement d'adsorption du ruthénium sur Le précipité de ferrocyanure double. Aussi, i L est avantageux d'ajuster Le p H de la solution aqueuse, avant L'addition du sel de cuivre, à une valeur appropriée allant de 4 à 6 pour obtenir un rendement maximum d'adsorption du ruthé- nium. On peut ajuster te p H de La solution soit avant de la mettre en contact avec Le ferrocyanure de méta L alcatin, soit après échange du fer par te ruthénium, en utilisant des réactifs appropriés, par exempte de L'acide nitrique. Ce premier mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention peut être utilisé pour La décontamination d'effluents aqueux contenant non seutement du ruthénium, mais aussi du césium et/ou du cobalt. En effet, en présence de cuivre en excès, te précipité de ferrocyanure double de métal alcalin et de cuivre entraîne la totalité du césium On peut ainsi éviter l'utitisation d'adsorbants spécifiques du césium. Dans te cas du cobalt, le ferrocyanure de potassium réagit notamment avec le 60 Co complexé dans tes effluents radioactifs par déplacement de l'équilibre chimique vers La forme ferrocyanure plus stable, le mécanisme étant accentué par la précipitation du ferrocyanure double. Selon un second mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on réalise La séparation du ruthénocyanuree par fixation de celui-ci sur une résine échangeuse anionique. Dans ce cas, on peut fixer le ferrocyanure de métal alcalin sur une résine échangeuse d'anions, puis mettre en contact La solution aqueuse contenant te ruthénium avec cette résine pour fixer le ruthénium sur celle-ci. La résine échangeuse d'anions utitisée peut être du type Dowex 1 X 8. Lors de cette mise en contact, it se produit un échange entre le Fe(II) du ferrocyanure et le Ru(II) en solution de sorte que le ruthénium se fixe sur ta résine échangeuse d'anions. Seton une variante de ce second mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on ajoute tout d'abord te ferrocyanure de métat alcalin à la solution aqueuse contenant te ruthénium, puis on met en contact cette solution aqueuse avec une résine échangeuse d'anions pour fixer les ions ruthénocyanure sur la résine. Dans ce cas, on peut utiliser aussi les résines anioniques du type Dowex 1 X 8. En effet, les ions hexacyano-ferrate et ruthénocyanure présents dans la solution après addi- tion de ferrocyanure de métal alcalin sont fortement charges négativement et présentent une très grande affinité pour ce type de résine. Se Lon un troisième mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on ajoute le ferrocyanure de méta L alcatin à La solution aqueuse, puis on récu- père le ruthénium en concentrant cette solution par évaporation. Ainsi, après avoir mis en contact la solu- tion avec un ferrocyanure de métal alcalin pour échan- ger le fer du ferrocyanure par du ruthénium, on pro- cede à une évaporation de la solution aqueuse, ce qui permet de séparer te ruthénium sous ta forme de résidu. Dans ce troisième mode de mise en oeuvre du procédé, L'addition du ferrocyanure permet de stabitiser le ruthénium à ta valence II sous forme de complexes stables et d'éviter ainsi les problèmes posés par la presence en milieu oxydant de composés du Ru(IV) très volatils et extrêmement toxiques. D'autres caractéristiques et avantages de t'invention apparaîtront mieux à la lecture des exemptes suivants donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur tesque Ls: la Fig 1 est un diagramme représentant Les variations du rendement d'extraction du ruthénium (en %) en fonction du p H de La solution aqueuse, marquée par un effluent radioactif de t'usine de La Hague. tes Fig 2 et 3 sont des diagrammes représentant Les variations du rendement d'extraction du ruthénium en fonction du rapport des concentrations motaires cuivre/ferrocyanure La figure 2 est relative à une eau de mer de l'environnement La figure 3 concerne une eau de mer marquée en laboratoire par une solution radioactive d'effluent de t'usine de retraitement des combustibles de La Hague. la Fig 4 est un diagramme représentant t'évolution du rendement d'extraction du ruthénium en fonction de la quantité de ferrocyanure de potas- sium ajoutée, dans une eau de mer marquée par un effluent radioactif. Les figures 1, 2, 3 et 4 correspondent à des essais utilisant le ferrocyanure de potassium. La figure 5 est un diagramme représentant également l'évolution du rendement d'extraction du ruthénium en fonction du rapport des concentrations motaires cuivre/ferrocyanure, dans une eau de mer marquée au Laboratoire par une solution radioactive d'effluents de L'usine de retraitement des combustibles de La Hague. Ettlle se distingue de La figure 3 par l'uti- Lisation du ferrocyanure de sodium en remplacement du ferrocyanure de potassium. EXEMPLE 1 Dans cet exemple, on étudie L'influence du p H de la solution aqueuse sur le taux d'adsorption du ruthénium. On part d'échantillons aqueux d'eau de mer d'un volume de 50 cm 3 ayant une activité en ruthénium mesurée par spectrométrieyde 3 104 Bq/t On soumet Les échantiltlons à une agitation magnétique et on ajuste leur p H à des valeurs comprises entre 1 et 9,5 par addition de solutions diluées de HNO 3 ou de Na OH On leur ajoute a Lors,toujours sous agitation, 200 pl d'une solution de ferrocyanure de potassium à 1, 56 10-1 mol/t pour réaliser L'échange fer/ruthénium, ce qui correspond à une concentration en ferrocyanure de 6,24 10-4 mol/L. On ajoute enfin 400 p L d'une solution de nitrate de cuivre Cu(N 03)23 H 20 à 2,73 10-1 mot/t, ce qui correspond à un rapport motaire cuivre/ferrocyanure de 3,5. On laisse décanter, pendant 12 h, on prélève mt du surnageant et on mesure son activité rési- duelltte en ruthénium par spectrométrie gamma afin de catculer le rendement d'extraction (en %) qui correspond au rapport de L'activité du ruthénium dans Le précipité sur l'activité du ruthénium dans La solution de départ. Les résultats obtenus sont donnés sur La figure 1 qui représente le rendement d'extraction en ruthénium (en %) en fonction du p H de La solution aqueuse. Au vu de cette figure, on remarque que Les mei L Leurs résultats sont obtenus dans La gamme de p H allant de 4 à 6. EXEMPLE 2 Dans cet exemple re Latif à L'eau de mer de L'environnement, L'activité en ruthénium est de L'ordre de 170 m Bq/L On suit Le même mode opératoire que dans L'exempte 1 et on étudie t'influence du rapport molaire cuivre/ferrocyanure (dans l'interva L Le 0,5 à 5) sur la quantité de ruthénium extraite (%) Chaque échantillon de 115 Litres d'eau de mer est amené à p H 4,5 en présence de 0,1 mole de ferrocyanure de potassium Les résultats sont donnés sur La figure 2. Sur cette figure o L'on a fixé arbitrai- rement à 100 % Le rendement d'extraction en ruthénium du précipité recueilli ayant Le maximum d'activité, on remarque que L'on obtient Les mei L Leurs résultats à partir d'un rapport mo Laire éga L à 3. EXEMPLE 3 Dans cet exempte, on étudie éga Lement L'in- f Luence du rapport mot Laire cuivre/ferrocyanure sur Le taux d'extraction du ruthénium, mais on opère à un p H de 5,1 avec une concentration en ferrocyanure de 6,24 10-4 mot/t, dans une eau de mer marquée o L'activité en ruthénium est connue ( 3 104 Bq/t). Les résultats obtenus sont donnés sur La figure 3 qui représente éga Lement L'évo Lution du rendement d'extraction en ruthénium en fonction du rapport motaire cuivre/ferrocyanure. Dans ce cas, on remarque éga Lement que Les mei L Leurs résuttats sont obtenus à partir d'un rapport motaire de 3. EXEMPLE 4: Dans cet exempte, on étudie L'inf Luence de 1 1 La quantité de ferrocyanure de potassium uti Lisée sur Le rendement d'extraction du ruthénium. On suit Le même mode opératoire que dans l'exemple 1 en utilisant des quantités de ferrocyanure allant de 0,5 10-4 à 30 10-4 mo L/I en utilisant un p H de 4,8 et un rapport motaire Cu/ferrocyanure de 3,5. Les résultats obtenus sont donnés sur la figure 4 qui représente Les variations du rendement d'extraction en ruthénium (en %) en fonction de La quantité de ferrocyanure de potassium ajoutée. Sur cette figure, on voit que L'on obtient de bons résultats à partir d'une concentration en ferrocyanure de 4 10-4 mo L/I et que si L'on augmente La concentration en ferrocyanure, Le rendement augmente également mais lentement La Limite correspondant à % du ruthénium fixé est atteinte pour une concentration de 4 10-3 mo L/I de ferrocyanure de potassium. EXEMPLE 5 Dans cet exempte, on uti Lise Le procédé de L'invention pour éliminer le ruthénium dans une quantité d'eau de 115 l ayant une activité en ruthénium d'environ m Bq/l. On ajoute à L'eau 5 10-2 mot de ferrocyanure de potassium et on la maintient sous agitation par bu L Lage pendant 5 min On ajuste ensuite le p H à 4,8 par addition d'acide nitrique concentré, puis on ajoute 2.10-1 mot de nitrate de cuivre Cu(NO 3)2, 3 H 20 et on maintient sous agitation pendant 12 heures On Laisse décanter pendant 12 heures et on filtre te précipité après élimination du surnageant On sèche Le précipité à 600 C et on Le conditionne pour mesurer sa teneur en ruthénium par spectrométrie gamma. On obtient ainsi l'extraction de pratique- ment 100 % du ruthénium présent. Ainsi, Le procédé de L'invention permet d'éliminer la quasi- totalité du ruthénium présent dans des effluents, ce qui constitue un progrès important pour L'environnement. Dans Le domaine des sciences de L'environnement, le procédé de L'invention peut être utitisé également pour La détection du ruthénium utitisé comme marqueur des masses d'eau dans Les mers et tes océans En effet, La courte période radioactive du 106 Ru ( 1 an) en fait un marqueur de choix pour éva Luer Le temps de transit des masses d'eau Ainsi, La mesure précise de L'activité en ruthénium de L'eau de mer, que L Ltte que soit sa forme physico-chimique, donne accès à La compréhension fine des processus qui président à La dispersion des eff Luents dans L'eau de mer. EXEMPLE 6: Dans cet exempte, te mode opératoire diffère de celui de t'exempte 3 uniquement par Le remplacement du ferrocyanure de potassium par te set de sodium Fe (CN)6 Na 4. A partir d'une eau de mer marquee en 106 Ru par un eff Luent de L'usine de La Hague ( 3 104 Bq/L, on étudie L'inf Luence du rapport mo Laire cuivre/ferro- cyanure sur Le taux d'extraction du ruthénium à p H ,1 avec une concentration en ferrocyanure de sodium de 6,24 10-4 mo L/t. Les résuttats obtenus sont donnés sur La figure 5 On remarque que l'uti Lisation du ferrocyanure de sodium permet d'atteindre te patier d'extraction maximate du ruthénium dès que te rapport mo Laire cuivre/ferrocyanure est égat à deux alors que dans Le cas du ferrocyanure de potassium, L'obtention du pa Lier d'extraction maximale nécessite un rapport de 3. Cette différence de comportement entre Les ferrocyanures de sodium et de potassium provient du fait que le ferrocyanure de cuivre simple Fe (CN)6 Cu 2 semble ne pas se former à partir du ferrocyanure de5 potassium Le set de potassium donne en effet des composés d'addition répondant à la formule générale lFe(CN)6 cu 2 ln, Fe(CN)6 K 4 o N varie avec Le rapport molaire cuivre/ferrocyanure de potassium utilisé pour former le précipité entre 1 et 5. REVENDICATIONS 1 Procédé de séparation du ruthénium présent dans une solution aqueuse, caractérisé en ce qu'it consiste à mettre en contact cette solution avec un ferrocyanure de métat atcalin pour échanger te fer5 du ferrocyanure par le ruthénium et former ainsi un ruthénocyanure, et à séparer le ruthénocyanure ainsi formé. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend tes étapes suivantes: a) ajouter à La solution aqueuse contenant Le ruthénium un ferrocyanure de métal alcalin pour échanger le fer du ferrocyanure par Le ruthénium, b) ajouter à cette solution un sel de cuivre pour former un précipité de ferrocyanure double de métal atcalin et de cuivre entraînant le ruthénium, et c) séparer te précipité ainsi obtenu. 3 Procédé selon La revendication 2, carac- térisé en ce que Le sel de cuivre est Le nitrate de cuivre. 4 Procédé seton ta revendication 1, carac- térisé en ce que Le ferrocyanure de métat atcatin est fixé sur une résine échangeuse d'anions et en ce que L'on met en contact la solution aqueuse contenant Le25 ruthénium avec cette résine pour fixer Le ruthénium sur celltte-ci. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que t'on ajoute Le ferrocyanure de métal atcatin à La solution aqueuse contenant te ruthénium30 et en ce que l'on met ensuite en contact La solution aqueuse avec une résine échangeuse d'anions pour fixer Les ions ruthénocyanure sur la résine. 6 Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'on-ajoute le ferrocyanure de métal alcalin à La solution aqueuse contenant te ruthénium, puis on récupère le ruthénium en concentrant cette solution par évaporation. 7 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que le ferrocyanure de métat alcatin est du ferrocyanure de potassium. 8 Procédé selon L'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que le ferrocyanure de métal alcalin est du ferrocyanure de sodium. 9 Procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce que le p H de la solution aqueuse est ajusté à une valeur allant de 4 à 6 avant addition du sel de cuivre à La solution. Procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce que Le rapport motaire set de cuivre/ferrocyanure de métat atcalin est d'au moins 2. 11 Procédé selon les revendications 7 et , caractérisé en ce que Le rapport molaire set de cuivre/ferrocyanure de potassium est d'au moins 3. 12 Procédé selon Les revendications 8 et , caractérisé en ce que Le rapport motaire set de cuivre/ferrocyanure de sodium est d'au moins 2. 13 Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que La quanti- té de ferrocyanure de métat atcatin utitisée est d'au moins 4 10-4 mot/t de solution aqueuse. 14 Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la quantité de ferrocyanure de métat alcalin utilisée est d'au moins 4 10-3 mot/t de solution aqueuse. Procédé selon ta revendication 2, carac- térisé en ce que La solution aqueuse de départ comprend en outre du césium et/ou du cobalt et en ce que L'on entraîne simultanément te césium et Le cobalt sur te précipité de ferrocyanure double.