Sali di gadolinio nell’acqua: solubilità, rimozione e concentrazione

Il cloruro e il nitrato di gadolinio possono introdurre gadolinio disciolto nell’acqua, mentre il carbonato, l’ossalato, il fosfato e il fluoruro sono solidi poco solubili. Per scegliere un processo di rimozione o concentrazione non basta misurare il gadolinio totale: contano la forma chimica, il pH e le altre sostanze disciolte.

Questa guida tratta i comuni sali di gadolinio disponibili in commercio e i calcoli pratici per il trattamento dell’acqua. Per informazioni sulla presenza nell’ambiente e sulle vie di diffusione ambientale, vedere il gadolinio nell’acqua.

Sali comuni di gadolinio e solubilità in acqua

La tabella descrive il comportamento qualitativo, non una concentrazione di saturazione valida in ogni caso. La temperatura, la forma idrata, l’acidità e gli agenti complessanti possono modificare la quantità che si dissolve. Per preparare soluzioni o progettare un processo, utilizzare i dati relativi al prodotto specifico e alle condizioni operative.

SaleFormula rappresentativaComportamento in acquaRilevanza pratica
Cloruro di gadolinio(III) esaidratoGdCl3·6H2OSolubile in acqua.Una fonte solubile di Gd(III); l’idrato contiene meno gadolinio per grammo rispetto al cloruro anidro.
Nitrato di gadolinio(III) esaidratoGd(NO3)3·6H2OAltamente solubile.La preparazione della soluzione deve tenere conto sia del carico di gadolinio sia di quello di nitrati.
Solfato di gadolinio(III) ottaidratoGd2(SO4)3·8H2OSolubile in acqua fredda.Prima di concentrare una soluzione, verificare la solubilità in funzione della temperatura e la chimica dei solfati.
Carbonato di gadolinio(III) idratoGd2(CO3)3·xH2OPoco solubile in acqua.Un solido in sospensione non equivale al gadolinio disciolto; il grado variabile di idratazione influisce sui calcoli della massa.
Ossalato di gadolinio(III) idratoGd2(C2O4)3·xH2OPoco solubile in acqua; la solubilità dipende dall’acidità e dalla concentrazione di ossalato.Rilevante per la precipitazione e il recupero; è necessario misurare il gadolinio disciolto residuo.
Fosfato di gadolinio(III)GdPO4, anche in forme idrateSolubilità in acqua molto bassa.La formazione di un solido può trasferire il gadolinio nei fanghi senza distruggere l’elemento.
Fluoruro di gadolinio(III)GdF3Poco solubile in acqua.Nel trattamento e nella gestione dei residui occorre considerare sia il fluoruro sia il gadolinio.

I sali disciolti sono diversi dai chelati di gadolinio

In questi sali il gadolinio è prevalentemente trivalente, Gd(III). Dopo la dissoluzione, la sua distribuzione tra ioni idratati, complessi e solidi dipende dalla composizione dell’acqua. Il nome del sale aggiunto inizialmente non descrive tutte le specie presenti in seguito.

I mezzi di contrasto a base di gadolinio per la risonanza magnetica legano il gadolinio all’interno di ligandi organici. Questi chelati possono rimanere disciolti e comportarsi diversamente dal Gd(III) non complessato. Un processo testato con cloruro di gadolinio non dimostra quindi una rimozione equivalente di un mezzo di contrasto intatto. Gli studi sulle acque reflue hanno evidenziato una rimozione incompleta del gadolinio derivante dai mezzi di contrasto e l’importanza di analisi specifiche per ciascun composto.

Rimozione del gadolinio dall’acqua

Separazione dei solidi e precipitazione

La sedimentazione e la filtrazione possono separare le particelle contenenti gadolinio, ma da sole non dimostrano la rimozione delle specie disciolte. Quando le condizioni chimiche consentono la formazione di un sale poco solubile, la precipitazione seguita dalla separazione dei solidi può trasferire il gadolinio in un solido recuperabile o da smaltire. Gli studi sull’ossalato e sul fosfato di gadolinio illustrano questa chimica, ma nessuno dei due fornisce un pH operativo o una dose universalmente validi per le acque reflue.

Analizzare l’acqua effettiva per determinare il gadolinio disciolto residuo e quello totale, il consumo di reagenti, la separazione dei solidi e la possibile ridissoluzione. Una forte complessazione può impedire il comportamento atteso da una semplice soluzione salina. L’aggiunta di un precipitante modifica inoltre l’acqua trattata e genera un residuo da gestire.

Adsorbimento e scambio ionico

L’adsorbimento e lo scambio ionico possono essere studiati per il gadolinio disciolto. Selezionare i materiali in base alle specie presenti: una specie di Gd(III) con carica positiva e un chelato neutro o con carica negativa non si legano necessariamente allo stesso materiale. Ioni concorrenti, materia organica, capacità, punto di breakthrough e rigenerazione determinano le prestazioni pratiche. Ricerche recenti sulla cattura del gadolinio di origine medica evidenziano la necessità di testare chelati specifici e condizioni realistiche di competizione ionica.

Per valutare un processo, sono utili dati su portata, pH, temperatura, gadolinio totale e disciolto, ioni principali, materia organica ed eventuali mezzi di contrasto o altri ligandi noti. I risultati di laboratorio e delle prove pilota devono stabilire la concentrazione raggiungibile nell’effluente e la composizione dei materiali esausti, della soluzione di rigenerazione o dei fanghi.

Concentrazione: mg/L espressi come Gd rispetto a mg/L di sale

La concentrazione di gadolinio elementare e la concentrazione del sale sono grandezze diverse. Utilizzando una massa atomica del gadolinio di 157,25 g/mol:

mg/L espressi come Gd = mg/L di sale × (numero di atomi di Gd per unità di formula × 157,25) / massa molare del sale.

Sale puro pesatoMassa molare approssimativaGadolinio da 100 mg/L di sale
Anidro GdCl3263,60 g/mol59,7 mg/L come Gd
GdCl3·6H2O371,69 g/mol42,3 mg/L come Gd
Gd(NO3)3·6H2O451,35 g/mol34,8 mg/L come Gd

Questi esempi presuppongono l'idrato puro indicato e la completa dissoluzione. Occorre correggere i calcoli in base al titolo del prodotto, all'umidità e all'eventuale frazione non disciolta. Una concentrazione di gadolinio di 1 mmol/L corrisponde a 157,25 mg/L come Gd. L'analisi del gadolinio totale non identifica il sale o il chelato da cui proviene.

Concentrazione e recupero del gadolinio

La rimozione dal flusso d'acqua principale e il recupero sotto forma di prodotto utile sono obiettivi distinti. Un solido raccolto o una soluzione rigenerante possono contenere altri elementi delle terre rare e contaminanti. La sola concentrazione non determina la purezza o il valore commerciale del prodotto.

Per un bilancio di massa illustrativo, 1 m3 d'acqua a 10 mg/L come Gd contiene 10 g di gadolinio. Catturare il 90% di tale massa in un volume liquido finale di 10 L darebbe 900 mg/L come Gd, con un fattore di concentrazione pari a 90. Si tratta di un calcolo, non della resa attesa di un trattamento. Nella valutazione di un processo reale occorre considerare tutti i flussi in uscita, i solidi residui e le perdite.

Fonti

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