ES2334352T3 - Moleculas magneticas: procedimiento que utiliza ferritinas magneticas funcionalizadas para la eliminacion selectiva de contaminantes de una solucion por filtracion magnetica. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la descontaminación de una solución que contiene iones contaminantes, que comprende las etapas siguientes: fabricar una molécula magnética mediante la unión de una función de intercambio iónico a una estructura de ferritina; disponer la molécula magnética en la solución; hacer reaccionar selectivamente la molécula magnética con el ion contaminante para unir la función de intercambio iónico de la molécula magnética a uno o más de los iones contaminantes; y extraer la molécula magnética y los iones contaminantes unidos procedentes de la solución mediante filtración magnética.
Description
Moléculas magnéticas: procedimiento que utiliza
ferritinas magnéticas funcionalizadas para la eliminación selectiva
de contaminantes de una solución por filtración magnética.
Existen muchas técnicas conocidas para eliminar
las impurezas disueltas del agua. Entre las técnicas de purificación
del agua existentes se incluyen la evaporación, el intercambio
iónico y la ósmosis inversa. Aunque estas técnicas producen agua
pura, no son capaces de eliminar selectivamente determinadas
impurezas diana, dejando simultáneamente todos los demás
constituyentes impurezas disueltos en la solución. Esta eliminación
selectiva de iones contaminantes de una solución líquida es un
requisito muy común en las aplicaciones de descontaminación
radioactiva, tales como las centrales nucleares y otras
instalaciones nucleares. En los sistemas y efluentes de enfriamiento
líquido pueden existir especies radioactivas a muy baja
concentración molar (típicamente entre aproximadamente 10^{-15} y
10^{-12} moles por litro), mientras que se encuentran presentes
otras especies disueltas inocuas a concentraciones mucho mayores.
En las aplicaciones nucleares, resulta deseable eliminar
selectivamente únicamente las especies radioactivas, dejando las
especies disueltas e inocuas en la solución en agua. Los residuos
radioactivos eliminados requieren un procesamiento de contención y
eliminación cuidadoso. El volumen de residuos radioactivos debe
minimizarse rigurosamente por motivos de seguridad y económicos. En
el caso de que se eliminen especies disueltas inocuas y se
manipulen conjuntamente con los contaminantes radioactivos, el
volumen de residuos resultante será excesivamente grande, generando
problemas de eliminación.
Se han desarrollado métodos para separar
selectivamente los iones radioactivos de la solución contaminada
que se basan en la diferencia sustancial de propiedades químicas de
los iones radioactivos y las especies disueltas inocuas. La manera
más típica de eliminar contaminantes de la solución es transferirlos
a una fase diferente, normalmente de líquida a sólida. Se añaden
partículas sólidas a la solución contaminada que se unen
selectivamente a los iones radioactivos pero que no se unen a otros
iones que sean inocuos. La partícula sólida y los iones
radioactivos unidos seguidamente se eliminan de la solución
utilizando técnicas de separación sólido-líquido.
Esta técnica para eliminar iones radioactivos ha sido aplicada a
escala industrial. La planta de Sellafield, en el Reino Unido,
utiliza el adsorbente sólido clinoptilolita para eliminar
selectivamente iones de cesio y estroncio de los efluentes de
la
planta.
planta.
Sin embargo, todavía existen problemas que deben
superarse en el diseño de un procedimiento selectivo de eliminación
tal como el descrito anteriormente. Con el fin de disponer de
capacidad adecuada para retener los contaminantes, las partículas
que se unen a los iones radioactivos deben ser grandes y porosas o
muy pequeñas. Las partículas porosas grandes adsorben
uniformemente, son difíciles de crear y habitualmente presentan una
selectividad limitada para adsorber únicamente los iones
radioactivos deseados. Aunque la clinoptilolita adsorbe iones de
cesio y de estroncio, también se adsorberán otros tipos de iones que
son inocuos.
Las partículas pequeñas y las partículas porosas
grandes son sustancialmente diferentes. Las partículas más pequeñas
no son porosas y los contaminantes diana únicamente pueden unirse a
las superficies externas de las mismas. En el caso de que las
partículas sean suficientemente pequeñas presentarán una capacidad
de adsorción adecuada, pero resultarán más difíciles de separar de
la solución utilizando técnicas de separación
sólido-líquido. Las partículas pequeñas presentan
la ventaja de que se crean más fácilmente, adsorbiendo
selectivamente los contaminantes diana y siendo inertes frente a
iones no diana.
Otro método para eliminar iones radioactivos
utiliza partículas magnéticas pequeñas que se unen a los iones del
contaminante diana y se eliminan de la solución mediante filtración
magnética. Las partículas magnéticas sólidas pequeñas se fabrican
recubriendo un núcleo magnético sólido, tal como magnetita, con un
polímero orgánico. El polímero orgánico presenta una función de
intercambio iónico selectiva que permite que las partículas se unan
a iones contaminantes específicos y que no reaccionen con otros
iones. El polímero orgánico se unen al núcleo magnético utilizando
un método de polimerización en emulsión. Las partículas magnéticas
presentan un diámetro mínimo comprendido entre aproximadamente 10 y
100 micrómetros. No resulta posible reducir adicionalmente el
tamaño de estas partículas magnéticas en grado significativo debido
al método de polimerización en emulsión utilizado. Para una
filtración magnética efectiva, el núcleo magnético también debe
presentar un tamaño mínimo, lo que resulta necesario para la
filtración magnética eficiente. Durante la filtración magnética, las
partículas magnéticas pequeñas deben migrar a través de la solución
únicamente en virtud de la fuerza magnética. Sin embargo, avances
recientes en el diseño de los filtros magnéticos, han reducido
significativamente el tamaño de las partículas que pueden
eliminarse eficientemente mediante filtración magnética. Un problema
de estas partículas de descontaminación magnética de la técnica
anterior es que su capacidad de adsorción de la contaminación es
reducida. Esta ineficiencia se debe a que la funcionalidad de
intercambio iónico se encuentra presente únicamente sobre la
superficie de las partículas y no en la totalidad del volumen. Para
superar esta falta de capacidad, con frecuencia se provoca que la
reacción de adsorción sea reversible. Tras eliminarlas de la
solución, se separan los contaminantes de las partículas y éstas son
a continuación reutilizadas. La reacción reversible de adsorción
limita el rango de funciones de intercambio iónico selectivo que
pueden utilizarse y reduce la selectividad de adsorción para el
contaminante diana.
La presente invención utiliza moléculas
magnéticas sintetizadas que presentan una función de intercambio
iónico específica para reaccionar selectivamente con un tipo
particular de contaminación iónica en una solución líquida. Las
moléculas magnéticas incluyen una estructura de ferritina muy
pequeña que presenta un núcleo magnético y una función de
intercambio iónico unida a las superficies externas. La estructura
de ferritina presenta un orificio central que puede contener un
núcleo nativo. El núcleo nativo puede eliminarse, dejando una
"apoferritina" no magnética y permitiendo la inserción de un
material altamente magnético en el orificio central de la estructura
de ferritina. La función de intercambio iónico puede unirse a la
estructura de ferritina mediante secuencias de reacción orgánica.
La función de intercambio iónico de las moléculas magnéticas se une
selectivamente a un tipo específico de ion contaminante. Por
ejemplo, las funciones de intercambio iónico pueden actuar
selectivamente sobre iones contaminantes radioactivos diana, tales
como cobalto, cesio y plutonio.
El procedimiento inventivo es una mejora
respecto a los procedimientos de descontaminación de la técnica
anterior debido a que las moléculas magnéticas son de un tamaño
mucho menor aunque presentan suficientes propiedades magnéticas
para ser fácilmente eliminadas de una solución mediante filtración
magnética. Las moléculas magnéticas inventivas presentan un
diámetro de aproximadamente 12 nanómetros. Este menor tamaño de la
molécula magnética crea áreas superficiales adsortivas
sustancialmente mayores por volumen de molécula magnética que las
partículas magnéticas de mayor diámetro de la técnica anterior. De
esta manera, resulta necesario un volumen muy inferior de las
moléculas magnéticas para descontaminar una solución.
Las moléculas magnéticas se mezclan con la
solución contaminada y la función de intercambio iónico se unen con
tipos específicos de iones contaminantes, siendo inerte para otros
iones. Las moléculas magnéticas deben entrar en contacto con los
iones contaminantes diana para que se produzca la reacción de unión.
La solución puede agitarse mecánicamente para inducir el contacto
entre los iones contaminantes y las moléculas magnéticas. Cada
molécula magnética puede presentar como diana un ion contaminante
específico y para la completa eliminación de este ion contaminante
deben encontrarse suficientes moléculas magnéticas para adsorber la
totalidad de los iones contaminantes. Puede utilizarse un único
tipo de molécula magnética en el caso de que se elimine únicamente
un tipo de contaminante iónico. Sin embargo, también resulta posible
utilizar más de un tipo de molécula magnética, presentando cada
tipo una función de intercambio iónico diferente, para eliminar
simultáneamente dos o más tipos de iones contaminantes.
Los iones contaminantes y moléculas magnéticas
se eliminan de la solución mediante filtración magnética tras
resultar adsorbidos los iones contaminantes por la molécula
magnética. La filtración magnética puede requerir pasar la solución
a través de un filtro magnético que presente un imán de número
elevado de teslas circundando a un elemento filtrante de malla o de
polvos. En el momento en que se llene el filtro, se lleva a cabo un
procedimiento de limpieza para liberar las moléculas magnéticas
atrapadas y los iones contaminantes adsorbidos. El campo magnético
del filtro magnético se desactiva y las partículas se lavan
fácilmente del filtro.
Las moléculas magnéticas y los contaminantes
adsorbidos pueden gestionarse como residuos o alternativamente los
núcleos magnéticos pueden separarse de las moléculas magnéticas y
reutilizarse. Para reutilizar los núcleos magnéticos, la estructura
de ferritina de la molécula magnética puede destruirse utilizando
una reacción química, tal como la hidrólisis alcalina o la
oxidación húmeda. A continuación, el núcleo magnético puede
eliminarse de la molécula magnética y reutilizarse para fabricar
nuevas moléculas magnéticas.
El procedimiento de descontaminación puede
llevarse a cabo en una tubería que transporte la solución
contaminada. Pueden añadirse a la tubería las moléculas magnéticas
y mezclarse con la solución contaminada. A medida que fluye la
solución por la tubería, los iones contaminantes de gran tamaño se
unen selectivamente a las moléculas magnéticas. La solución fluye a
continuación a través de un filtro magnético que atrapa las
moléculas magnéticas y los iones contaminantes. El resto de la
solución puede salir del filtro magnético en un estado
descontaminado.
La invención se describe en la presente memoria,
únicamente a título de ejemplo, haciendo referencia a las formas de
realización de la presente invención ilustradas en los dibujos
adjuntos, en los que:
la figura 1 representa una forma de realización
de una molécula magnética,
la figura 2 representa una forma de realización
de tubería del sistema de descontaminación, y
la figura 3 representa la forma de realización
de tubería del sistema de descontaminación tras eliminar las
moléculas magnéticas del filtro magnético.
Las moléculas magnéticas inventivas presentan
propiedades de intercambio iónico selectivo que se unen a iones
contaminantes específicos en una solución. El tamaño de las
moléculas magnéticas inventivas es mucho menor que las partículas
magnéticas de la técnica anterior, mejorando la eficiencia de la
descontaminación. Las moléculas magnéticas se forman mediante la
inserción de un núcleo altamente magnético en una estructura de
ferritina y uniendo una función de intercambio iónico a la
estructura de ferritina. Las moléculas magnéticas de la ferritina
presenta un diámetro aproximadamente tres órdenes de magnitud menor
que las partículas magnéticas de la técnica anterior. El menor
tamaño de la molécula magnética resulta esencial para la capacidad
adsortiva debido a que los iones contaminantes únicamente se
adsorben sobre las superficies expuestas de las moléculas
magnéticas. Las moléculas magnéticas inventivas de menor tamaño
presenta una proporción de área a volumen mucho mayor que las
partículas magnéticas de la técnica anterior, incrementando en gran
medida la capacidad de las moléculas magnéticas pequeñas de
adsorber iones contaminantes.
Con el fin de sintetizar moléculas magnéticas
pequeñas, resultan necesarios núcleos magnéticos muy pequeños. Unas
especies pequeñas llamadas "ferritinas" pueden adaptarse para
presentar propiedades magnéticas adecuadas para el procedimiento
inventivo de descontaminación. Las ferritinas constan de una cáscara
esférica que presenta un diámetro externo de aproximadamente 12
nanómetros y una cavidad que presenta un diámetro interno de
aproximadamente 8 nanómetros. La cáscara de la ferritina es una
proteína compleja que consta de 24 subunidades peptídicas
constituidas por aminoácidos. La cavidad de la cáscara de ferritina
acumula naturalmente núcleos de hierro en forma de óxidos e
hidróxidos. Las ferritinas son producidas por los mamíferos y sirven
para almacenar el hierro en áreas tales como el hígado y el bazo.
Las ferritinas naturales (tales como la ferritina de bazo de
caballo) se encuentran comercializadas. También resulta posible
fabricar las ferritinas sintéticamente.
Una característica de las ferritinas es que los
materiales del núcleo pueden eliminarse, rindiendo una
"apoferritina" no magnética. El material nuclear eliminado
puede a continuación sustituirse por un material intensamente
ferromagnético que incrementa sustancialmente las propiedades
magnéticas. La ferritina magnética puede formarse mediante
precipitación de los materiales magnéticos de la solución en las
cavidades de la apoferritina. Este tipo de ferritina potenciada
también se conoce como "magnetoferritina". La utilización de
ferritinas como medios magnéticos en la industria del
almacenamiento de información digital ha sido dada a conocer en la
patente US nº 5.491.219. El tamaño y propiedades magnética de la
magnetoferritina permiten que las moléculas magnéticas inventivas
presenten un rendimiento superior a las partículas magnéticas de la
técnica anterior.
La molécula magnética se sintetiza a partir de
ferritina magnética y una función de intercambio iónico selectivo
seleccionado en virtud de su capacidad conocida de unirse a los
iones contaminantes diana deseados, rechazando simultáneamente
otros iones presentes en la solución. En una forma de realización,
las subunidades peptídicas que circundan la molécula magnética son
aminoácidos tales como leucina, alanina y glutamina
(Leu-Ala-Glu). Estos aminoácidos
sobre la superficie de la ferritina se utilizan para ligar las
funciones de intercambio iónico a la estructura de la ferritina
mediante secuencias de reacción orgánica que forman enlaces
covalentes. Existe una amplia diversidad de posibles funciones de
intercambio iónico selectivo. Las funciones de intercambio iónico
presentan propiedades altamente selectivas que pueden capturar iones
contaminantes específicos que se encuentran a bajas
concentraciones, aunque siendo inertes a otros constituyentes de la
solución que no son contaminantes diana y que pueden encontrarse
presentes a concentraciones mucho más altas. Entre los ejemplos de
contaminantes diana se incluyen: radionucleidos tales como cobalto,
cesio o plutonio y otros contaminantes no radioactivos específicos.
La función de intercambio iónico se selecciona para que resulte
inerte a otros constituyentes no radioactivos y/o no peligrosos,
tales como sodio, que pueden encontrarse presentes a concentraciones
mucho mayores que los iones contaminantes diana. En el caso de
encontrarse presente más de un contaminante, puede utilizarse una
combinación de diferentes moléculas magnéticas para descontaminar la
solución.
La capacidad de la función de intercambio iónico
de adsorber correctamente iones diana evitando simultáneamente la
adsorción de iones no diana se conoce como "selectividad". Una
función de intercambio iónico que presenta una elevada selectividad
adsorbe principalmente iones diana, aunque siendo inerte a iones no
diana. En contraste, las funciones de intercambio iónico de baja
selectividad adsorben iones tanto diana como no diana que son de
tamaño similar. Las funciones de intercambio iónico de
selectivamente más alta resultan más eficientes debido al
porcentaje más elevado de iones diana que resulta adsorbido por las
moléculas magnéticas.
La selectividad se incrementa a partir de
diferentes de energía libre termodinámica de la unión entre la
función de intercambio iónico y el ion contaminante en comparación
con los constituyentes no peligrosos, o a partir de diferencias
cinéticas en la velocidad de la reacción de unión. Muchos factores
influyen sobre esta selectividad, tales como la geometría de la
función de intercambio iónico, la polarizabilidad y el tamaño de
cavidad. Estos factores son generalmente bien conocidos y se
encuentran bien establecidos en el campo de la química
inorgánica.
La función de intercambio iónico puede ser
reversible o irreversible. Las funciones de intercambio iónico
reversibles permiten que la molécula magnética se una y libere el
ion diana. Más específicamente, pueden añadirse a una solución
moléculas magnéticas con funciones de intercambio iónico reversibles
y adsorberse los iones diana. Las moléculas magnéticas pueden a
continuación eliminarse de la solución y la función de intercambio
iónico reversible puede liberar los iones contaminantes. A
continuación, las moléculas magnéticas pueden reutilizarse para
eliminar más contaminantes de la solución. En el caso de que la
reacción de adsorción sea reversible, la unión termodinámica entre
el contaminante y la función de intercambio iónico debe ser
relativamente débil, y esto limita la selectividad que puede
conseguirse.
Las funciones de intercambio iónico
irreversibles no permiten liberar los iones contaminantes diana tras
su adsorción a la molécula magnética. Debido a que la función de
intercambio iónico no libera los iones contaminantes diana, las
moléculas magnéticas únicamente pueden utilizarse una vez. La
función de intercambio iónico puede seleccionarse de manera que la
unión entre la molécula magnética y el ion contaminante sea muy
fuerte, resultando en una selectivamente más alta que las moléculas
magnéticas de la técnica anterior que presentan una función de
intercambio iónico reversible. Aunque la función de intercambio
iónico irreversible no puede reutilizarse, existen métodos para
reciclar los núcleos magnéticos de la moléculas magnéticas, que se
expondrán con mayor detalle a continuación.
En una forma de realización, las funciones de
intercambio iónico de las moléculas magnéticas presentan la
selectividad más alta posible, para adsorber únicamente
radionucleidos diana específicos u otros iones contaminantes a baja
concentración de una solución. En el caso de que la selectividad sea
elevada, el volumen de residuos producido por el sistema de
descontaminación se minimiza debido a que las moléculas magnéticas
se adsorben principalmente únicamente a los contaminantes y otros
iones no perjudiciales no se adsorben. Entre los ejemplos de
funciones de intercambio iónico selectivo se incluyen: éteres corona
que se unen selectivamente a cesio aunque son inertes a sodio,
porfirinas que se unen selectivamente a cobalto y a ácido
dietilentetraamina pentaacético (DTPA), que se describen en el
ejemplo a continuación para unirse selectivamente a estroncio pero o
reaccionan con cesio. La figura 1 ilustra una molécula magnética
101 basada en una estructura proteica de ferritina que presenta una
cavidad central 103 que contiene un núcleo magnético 105 y funciones
de intercambio iónico. El núcleo magnético 105 proporciona las
propiedades magnéticas de la estructura proteica de la ferritina 101
con propiedades magnéticas. Las funciones de intercambio iónico
selectivo tales como porfirinas 107 o éteres corona 109 se unen a
la estructura proteica de la ferritina 101. Debido a que la molécula
magnética ilustra presenta funciones de intercambio tanto porfirina
107 como éter corona 109, se unen selectivamente tanto cobalto como
cesio. Se utilizan reacciones químicas específicas para unir la
función de intercambio iónico selectivo a la ferritina, que se
describen en más detalle posteriormente.
En general, cada molécula magnética presenta
únicamente un solo tipo de función de intercambio iónico unida para
adsorber un solo contaminante. En el caso de que se eliminen
múltiples tipos de contaminante, se utilizan conjuntamente
diferentes tipos de moléculas magnéticas que presentan las funciones
de intercambio iónico correspondientes. Alternativamente, tal como
se ilustra en la figura 1, puede añadirse a la solución un único
tipo de moléculas magnéticas que presenten múltiples funciones de
intercambio iónico para eliminar múltiples tipos de
contaminantes.
Otro factor que debe considerarse es la
compatibilidad de las moléculas magnéticas con la solución
contaminada. La estructura de ferritina de las moléculas magnéticas
puede ser funcional únicamente dentro de un intervalo limitado de
ambientes de solución. Por ejemplo, en el caso de que la solución
sea fuertemente ácida o alcalina, la estructura de ferritina de las
moléculas magnéticas puede resultar destruida o la funcionalidad
quedar afectada negativamente. En la mayoría de aplicaciones
nucleares potenciales de la invención, la solución contaminada
probablemente se encuentra comprendida dentro de un intervalo
aceptable (pH 3 a 10). En otras aplicaciones, el pH aceptable puede
encontrarse fuera de dicho intervalo especificado. En el caso de que
el pH se encuentre fuera del intervalo aceptable, la solución
contaminada puede requerir el pretratamiento de neutralización
antes de la adición de las moléculas magnéticas, para garantizar que
la molécula magnética sea químicamente estable al mezclarse con la
solución.
Tras determinar la molécula magnética apropiada
para la solución contaminada, deben determinarse las características
de adsorción del contaminante diana de las moléculas magnéticas.
Unicamente una vez conocidas las características de adsorción,
puede estimarse la cantidad necesaria de moléculas magnéticas que
debe añadirse a la solución para la descontaminación. Las
características de adsorción de la molécula magnética para el ion
contaminante pueden determinarse experimentalmente.
La capacidad de adsorción total de las moléculas
magnéticas puede determinarse mezclando una cantidad conocida de la
molécula magnética en una bolsa de diálisis que contenga una
solución que presente una concentración conocida de los iones
contaminantes diana. Tras el equilibrado, se analizó el contenido de
la bolsa de diálisis para determinar la cantidad de iones
contaminantes que presentaba la molécula magnética. Pueden llevarse
a cabo múltiples ensayos con parámetros variables, tales como
cantidades de moléculas magnéticas, concentraciones de ion
contaminante y concentraciones de iones no diana. Estos ensayos de
adsorción de contaminación también pueden compararse con un ensayo
"blanco" llevado a cabo bajo las mismas condiciones, con la
excepción de que se mezclan en la bolsa de diálisis únicamente los
precursores magnéticos de ferritina sin la función de intercambio
iónico. La capacidad de adsorción de la molécula magnética para el
ion contaminante diana puede a continuación determinarse a partir
de los resultados de dichos ensayos.
Otra característica de adsorción que debería
determinarse es la cinética de la adsorción de la molécula
magnética. Para determinar la tasa de adsorción de la contaminación
de la molécula magnética, en primer lugar debe analizarse la
solución para determinar la concentración del ion contaminante
diana. En el caso de que el contaminante sea radioactivo, el
análisis también debe determinar la presencia de cualquier isótopo
no radioactivo del mismo elemento. El ensayo de la cinética de
adsorción puede llevarse a cabo mediante agitación de una cantidad
conocida de moléculas magnéticas con muestras de solución que
contienen una cantidad conocida del ion contaminante diana durante
periodos de tiempo variables. A continuación, las moléculas
magnéticas se extraen de la solución y se determina la cantidad de
iones contaminantes diana que quedan en solución. La tasa de
adsorción de la contaminación o la cinética de la adsorción pueden
determinarse conociendo la cantidad de contaminantes adsorbidos y
el tiempo de exposición de las moléculas magnéticas a la solución
contaminada. Debido a que la cinética de la adsorción es variable,
dependiendo de muchos factores diferentes, pueden resultar
necesarios ensayos separados para cada tipo de molécula magnética,
características químicas de la solución contaminada y configuración
del sistema de
descontaminación.
descontaminación.
Tras determinar la cinética de la adsorción para
la molécula magnética, puede diseñarse el sistema de
descontaminación. Debe añadirse a la solución una cantidad
apropiada de moléculas magnéticas para adsorber adecuadamente la
totalidad de los iones contaminantes considerando la cinética de la
adsorción. En el caso de que el sistema de descontaminación se
utilice con un sistema de flujo continuo, el caudal de entrada de
moléculas magnéticas en la solución debe ser por lo menos
suficiente para eliminar la totalidad de los iones contaminantes
presente. El caudal de entrada de moléculas magnéticas a la
solución puede incrementarse para garantizar que se han adsorbido
todos los iones contaminantes. Debido a que las moléculas magnéticas
pueden resultar de producción costosa, debe diseñarse el sistema de
descontaminación para la adición exactamente suficiente de moléculas
magnéticas para eliminar la totalidad de los iones contaminantes
con un factor de seguridad razonable.
El diseño básico del sistema de descontaminación
dependerá de la tasa de adsorción de la contaminación de las
moléculas magnéticas. Tras adsorber los contaminantes diana, se
eliminan las moléculas magnéticas mediante filtración magnética de
la solución. En el caso de que los ensayos cinéticos muestren que la
adsorción de los iones contaminantes es muy rápida, puede
utilizarse un sistema de descontaminación de tipo final de tubería.
La figura 2 ilustra un ejemplo de un sistema de descontaminación de
tipo final de tubería 200 a través del cual fluye una solución de
contaminación 205 por una tubería 215. Las moléculas magnéticas 203
pueden introducirse en un flujo de solución de contaminación 205 en
un punto 209 en la tubería 215 corriente arriba de un filtro
magnético 207. El filtro magnético puede comprender un electroimán
219 y un medio de filtración magnética 217. En cuanto las moléculas
magnéticas 203 entren en contacto con la solución 205, las moléculas
magnéticas 203 inician la adsorción a los iones contaminantes. Una
vez alcanza la solución de contaminación 105 y las moléculas
magnéticas 203 el filtro magnético 207, la totalidad de los iones
contaminantes ha sido adsorbida por las moléculas magnéticas y la
solución descontaminada 211 sale del filtro magnético 207. Pueden
realizarse diversos ajustes del sistema de descontaminación para
modificar el tiempo de exposición de las moléculas magnéticas 203 a
los iones contaminantes. Puede ajustarse la longitud de tubería
entre el punto de introducción 209 de moléculas magnéticas y el
filtro magnético 207. El caudal de solución 205 puede ajustarse
modificando el diámetro de la tubería 215 del sistema de
descontaminación. En una forma de realización, puede utilizarse un
dispositivo de mezcla mecánica para incrementar la mezcla de las
moléculas magnéticas con la solución.
Alternativamente, en el caso de que la cinética
de absorción sea lenta, las moléculas magnéticas pueden mezclarse
con la solución contaminada en un tanque durante un periodo de
tiempo apropiado. Puede utilizarse un dispositivo mecánico para
agitar las moléculas magnéticas en el tanque para incrementar la
mezcla e incrementar la absorción de los iones contaminantes diana.
Tras la adsorción de la totalidad de los iones contaminantes, las
moléculas magnéticas pueden separarse de la solución mediante
filtración magnética. Este tipo de sistema de descontaminación
puede resultar útil para aplicaciones que no requieren la
descontaminación continua de la solución.
La tecnología de filtración magnética ha
mejorado considerablemente y las moléculas magnéticas pequeñas
inventivas ahora pueden separarse eficientemente de una solución
utilizando filtros magnéticos comercializados. Un filtro magnético
comercializado adecuado puede incluir un imán de número elevado de
teslas circundando a un medio de filtración magnético de malla o de
polvos. El imán de número elevado de teslas puede ser un electroimán
superconductor o convencional. Las moléculas magnéticas en la
solución contaminada fluyen a través del filtro magnético que
elimina las moléculas magnéticas conjuntamente con los iones
contaminantes unidos. En el caso de que la totalidad de los iones
contaminantes se ha adsorbido, la solución que fluye saliendo del
filtro magnético se encontrará completamente descontaminada.
En una forma de realización, el sistema de
descontaminación puede utilizarse para purificar agua para bebida o
eliminar iones diana de una solución para otros fines. Las moléculas
magnéticas se añaden al flujo de agua y las moléculas magnéticas se
unen a la totalidad de los iones contaminantes antes de que el agua
fluya a través del filtro magnético. El filtro magnético elimina
las moléculas magnéticas y sale agua purificada del filtro
magnético.
En el momento en que el filtro magnético se
encuentra completamente cargado, se desactiva el campo magnético
del elemento filtro. El filtro magnético en primer lugar puede
desactivarse apagando la alimentación del imán o retirando el
elemento filtro del campo magnético. A continuación, se hacen fluir
las moléculas magnéticas hacia el exterior del filtro en un volumen
reducido de agua para la gestión posterior de los residuos. La
figura 3 ilustra un método para limpiar el filtro magnético 207. Los
campos magnéticos del electroimán 219 del filtro magnético 207 se
encuentran desactivados y el agua 201 fluye por la tubería 215 y el
medio de filtración magnética 217. El flujo de fluido 221
procedente del filtro magnético 207 se desvía hacia el exterior del
sistema de tuberías y las moléculas magnéticas 203 y los iones
contaminantes son recogidos en un recipiente 213. En una forma de
realización, las etapas de mezcla, recolección de iones y flujo de
retorno pueden llevarse a cabo en un único procedimiento continuo.
Los materiales eliminados del medio de filtración 217 que contiene
los contaminantes pueden tratarse mediante los métodos de
eliminación estándares, tales como la evaporación o la cementación.
Los residuos radioactivos pueden requerir recipientes especiales y
el almacenamiento en áreas seguras para evitar la exposición de las
personas a la radiación.
Alternativamente, tras separar las moléculas
magnéticas de la solución, puede destruirse la estructura de la
molécula magnética y retirarse los núcleos magnéticos y convertirlos
en nuevas moléculas magnéticas para la descontaminación futura.
Resultan posibles diversos métodos para destruir la molécula
magnética, incluyendo la hidrólisis alcalina y la oxidación húmeda.
En el caso de que se utilice la oxidación húmeda, la molécula
magnética se hace reaccionar con peróxido de hidrógeno catalizada
con un catalizador metal de transición. Tras destruir las
estructuras de las moléculas magnéticas, pueden recuperarse los
núcleos magnéticos. Los núcleos magnéticos recuperados pueden
disolverse y redepositarse en apoferritina vacía nueva para preparar
nuevas moléculas magnéticas. El reciclado de núcleos magnéticos
puede resultar muy económico en el caso de que las moléculas
magnéticas utilicen materiales de núcleo magnético exóticos y caros.
La extracción de los núcleos magnéticos también puede reducir el
volumen de los residuos, que pueden incluir únicamente los restos
de la estructura de la ferritina, la función de intercambio iónico y
los iones contaminantes diana. La separación descrita de los
núcleos magnéticos resulta difícil o imposible con las moléculas
magnéticas de la técnica anterior, que son más grandes.
A continuación se proporciona un ejemplo de un
procedimiento de fabricación de moléculas magnéticas que une ácido
dietilentetraamina pentaacético (DTPA) a ferritina magnética. Se
disolvió 1 g de ácido dietiltriamina pentaacético (DTPA) y
trimetilamina (1,25 g) en 20 ml de agua desionizada doblemente
destilada bajo calentamiento suave. La solución se liofilizó,
rindiendo un residuo vítreo. El pentaetilamonio-DTPA
resultante se disolvió en 20 ml de acetonitrilo bajo calentamiento
suave. A continuación, la solución se enfrió a 0ºC en un baño de
hielo y se añadió cloroformato de isobutilo (0,35 g). Se agitó el
líquido de reacción durante 30 minutos adicionales, periodo durante
el cual precipitó hidrocloruro de trietilamina. A continuación, la
mezcla de reacción se filtró y se evaporó el solvente, rindiendo el
anhídrido carboxicarbónico de DTPA. Este compuesto (0,042 g)
seguidamente se añadió a una solución enfriada que contenía 0,078 g
de ferritina magnética en 10 ml de bicarbonato sódico 0,1 M. Lo
anterior posteriormente se dializó frente a tampón acetato, pH 6,
seguido de pH 7,4 para eliminar los productos secundarios, tales
como isobutanol y DTPA no conjugado. Tras la diálisis, la solución
de "moléculas magnéticas" de ferritina
magnética-DTPA se transfirió para su almacenamiento
a 4ºC hasta su utilización posterior. La ferritina magnética
utilizada en el presente ejemplo fue producida por Nanomagnetics
Ltd., de Bristol, Reino Unido.
A continuación, se utilizó la solución de
moléculas magnéticas sintetizadas para eliminar selectivamente el
estroncio de una solución de contaminación de ensayo. En este
experimento, se agitaron 10 mg de las moléculas magnéticas en
solución durante 20 minutos con 20 ml de solución de contaminación
de ensayo que contenía 103 ppm (2,06 mg) de cesio y 88 ppm (1,78
mg) de estroncio a temperatura ambiente. El filtro magnético
utilizó 20 ml de polvos de acero inoxidable ferrítico de iones de
150 micrómetros de tamaño que se situó entre dos imanes permanentes
de tierra rara. Se controló el caudal de la solución a través del
filtro magnético a 100 ml/hora hasta que se había pasado la
totalidad de la solución de contaminación de ensayo y las moléculas
magnéticas. Se enjuagó a continuación el filtro magnético con una
solución tampón con los imanes todavía colocados. Se retiraron a
continuación los dos imanes permanentes de tierra rara y se
retrolavó el filtro con la solución tampón para eliminar las
moléculas magnéticas.
Se analizó tanto el efluente que había pasado a
través del filtro magnético como el retrolavado atrapado por el
filtro magnético, para determinar la efectividad del sistema de
descontaminación. Los resultados del ensayo de descontaminación
selectiva se muestran en la Tabla 1, a continuación. Los resultados
indican que las moléculas magnéticas de ferritina
magnética-DTPA se unieron selectivamente a estroncio
pero no a cesio. Más específicamente, 42% (0,74 mg) del estroncio
original se unió a las moléculas magnéticas y resultó atrapado por
el filtro magnético, mientras que nada del cesio resultó adsorbido
por las moléculas magnéticas o atrapado por el filtro magnético.
Este resultado equivale a una capacidad de absorción de 1,68
miliequivalentes de estroncio por gramo de molécula magnética. Lo
expuesto anteriormente debe compararse con la capacidad de los
mejores intercambiadores iónicos no selectivos totalmente porosos,
que presentan una capacidad de aproximadamente 5 miliequivalentes
por gramo. Considerando que el intercambiador iónico magnético debe
presentar un núcleo magnético no funcionalizado, este resultado
indica un valor próximo a la capacidad máxima alcanzable
teóricamente.
Los efluentes representan la cantidad de cada
material que se pasó a través del filtro magnético sin quedar
atrapada. En este experimento, 57% (1,0 mg) del estroncio y 97% (2,0
mg) del cesio pasaron a través del filtro magnético. El experimento
ilustra claramente las capacidades de unión selectiva de las
moléculas magnéticas. La eliminación del ion contaminante diana
puede mejorarse incrementando la cantidad de moléculas magnéticas
añadida a la solución de contaminación.
Debido a que el sistema de descontaminación
inventivo puede presentar como diana materiales radioactivos
particularmente peligrosos, puede resultar particularmente útil en
aplicaciones de descontaminación nuclear. Por ejemplo, las
moléculas magnéticas inventivas que presentan una primera función de
intercambio iónico pueden utilizarse para eliminar selectivamente
cobalto radioactivo de efluentes de central nuclear. Mediante la
separación de únicamente el cobalto radioactivo, se minimizan los
residuos radioactivos, que requieren procedimientos especiales de
contención y eliminación.
También pueden utilizarse moléculas magnéticas
que presentan una función de intercambio iónico diferente para
recoger selectivamente los emisores alfa. En algunos casos los
emisores alfa en residuos sólidos en centrales nucleares provocan
que los residuos se encuentren en una clase de residuos radioactivos
conocida como "de clase mayor que Clase C", que crea problemas
especiales de eliminación. Las moléculas magnéticas pueden separar
los emisores alfa de los efluentes antes o después de la formación
de los residuos. Las moléculas magnéticas que presentan como diana
los emisores alfa pueden añadirse a los efluentes y filtrarse
magnéticamente para separar los emisores alfa. Alternativamente,
los emisores alfa pueden separarse mediante lixiviación en solución
de los residuos separados utilizando las moléculas magnéticas. El
resultado de cualquiera de los métodos para separar los emisores
alfa es que un volumen mucho menor de los residuos de la central
nuclear requerirá el tratamiento como residuos de clase mayor que
Clase C.
Entre otras aplicaciones para las moléculas
magnéticas inventivas se incluyen la eliminación selectiva de los
radionucleidos antimonio-124 y 125 y
tecnecio-99. El antimonio es otro nucleido
radioactivo problemático en los flujos de aguas residuales de
centrales nucleares. El radionucleido tecnecio-99 es
un residuo peligroso creado por el tratamiento del combustible
nuclear, que se ha encontrado en muestras del medio ambiente
exterior. Para estas aplicaciones y otras, pueden utilizarse las
moléculas magnéticas para separar los iones contaminantes diana
procedentes de productos residuales no peligrosos o menos
peligrosos.
Entre otras aplicaciones de las moléculas
magnéticas inventivas se incluyen la eliminación selectiva de los
radionucleidos antimonio-124,
antimonio-125 y tecnecio-99. El
antimonio es otro nucleido radioactivo problemático en los flujos
de aguas residuales de las centrales nucleares. Para estas
aplicaciones y diversas otras, pueden utilizarse las moléculas
magnéticas para separar los iones contaminantes diana de los
productos residuales no peligrosos o menos peligrosos.
En lo anteriormente expuesto, se ha descrito un
sistema de descontaminación con moléculas magnéticas. Aunque la
presente invención se ha descrito haciendo referencia a formas de
realización ejemplificativas específicas, resultará evidente que
pueden introducirse diversas modificaciones y cambios en dichas
formas de realización sin apartarse del alcance de la invención
según las reivindicaciones. Según lo expuesto anteriormente, la
memoria y los dibujos deben considerarse ilustrativos y no
limitativos.
Claims (12)
1. Procedimiento para la descontaminación de una
solución que contiene iones contaminantes, que comprende las etapas
siguientes:
fabricar una molécula magnética mediante la
unión de una función de intercambio iónico a una estructura de
ferritina;
disponer la molécula magnética en la
solución;
hacer reaccionar selectivamente la molécula
magnética con el ion contaminante para unir la función de
intercambio iónico de la molécula magnética a uno o más de los
iones contaminantes; y
extraer la molécula magnética y los iones
contaminantes unidos procedentes de la solución mediante filtración
magnética.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la etapa de fabricación incluye insertar un núcleo magnético
en una apoferritina.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en
el que la etapa de fabricación incluye eliminar un material nuclear
nativo de la estructura de ferritina dejando la apoferritina.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el ion contaminante es el cesio.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el ion contaminante es el cobalto.
6. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el ion contaminante es el plutonio.
7. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la función de intercambio iónico comprende un éter
corona.
8. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la función de intercambio iónico comprende porfirinas.
9. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la función de intercambio iónico comprende ácido
dietilentetraamina pentaacético (DTPA).
10. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la filtración magnética comprende un imán de número elevado
de teslas y un elemento de filtro.
11. Procedimiento según la reivindicación 10,
que comprende además la etapa que consiste en eliminar la molécula
magnética del filtro mediante retrolavado del filtro.
12. Procedimiento según la reivindicación 1, que
comprende además la etapa siguiente:
ajustar el pH de la solución contaminada a un
nivel que resulta compatible con la molécula magnética.
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