Anpassung konventioneller Wasseraufbereitungstechnologien zur Entfernung organischer Bestandteile aus flüssigen radioaktiven Abfällen: Sorptions- und Flockungsmechanismen

Warum die Reinigung radioaktiven Wassers uns alle betrifft

Kernkraftwerke, Forschungseinrichtungen und Krankenhäuser erzeugen flüssige radioaktive Abfälle, die häufig hartnäckige organische Stoffe wie Öle, Waschmittel und Lösungsmittel enthalten. Diese Organika machen die Reinigung radioaktiver Abfälle komplizierter und teurer und können die sichere Einbindung radioaktiver Materialien in feste Formen behindern. Die vorliegende Studie untersucht, ob dieselben einfachen Methoden, die zur Reinigung von Trinkwasser und Abwasser verwendet werden, auch helfen können, diese organischen Schadstoffe aus radioaktiven Flüssigkeiten zu entfernen. Damit könnte eine günstigere und praktischere Option entstehen—besonders wichtig für Länder wie die Ukraine, die durch kriegsbedingte Belastungen von Wasser- und Energieversorgung unter Druck stehen.

Alte Werkzeuge für eine neue Abfallart

Moderne Nuklearanlagen setzen oft auf fortgeschrittene Technologien wie Membranen, Plasma oder starke Oxidationsmittel zur Behandlung flüssiger radioaktiver Abfälle. Diese Verfahren sind zwar im Labor wirksam, aber meist energieintensiv, technisch anspruchsvoll und noch nicht als gebrauchsfertige industrielle Anlagen weit verbreitet. Dagegen sind bekannte Trinkwasserverfahren—wie Adsorption an Aktivkohle, Flockung mit Metallsalzen und einfache Filtration—erprobt, relativ kostengünstig und leicht zu betreiben. Die zentrale Frage dieser Forschung war, ob diese etablierten Techniken, die in kommunalen Wasserwerken üblich sind, angepasst werden können, um den organischen Anteil flüssiger radioaktiver Abfälle zu entfernen und das verbleibende Abfallprodukt leichter zu verfestigen und sicher zu lagern.

Wie die Reinigungsschritte zusammenwirken

Die Forschenden stellten ein Modell flüssiger Abfälle her, das das organische Gemisch nachbildete, das typischerweise in Nuklearanlagen vorkommt, und kombinierten Hydrazin, organische Säuren, Tenside und andere übliche Additive in Wasser. Anschließend wandten sie eine dreistufige Behandlung an: Zuerst wurde fein gemahlene Aktivkohle zugesetzt und schonend gerührt, damit gelöste organische Moleküle an ihrer großen inneren Oberfläche adsorbiert werden. Danach wurde feinverteiltes Bentonit aus einem großen ukrainischen Vorkommen als Trübungsmittel zugegeben, gefolgt von einer Lösung aus Eisen(III)-chlorid als Flockungsmittel. In dieser Phase halfen Eisenverbindungen, suspendierte Partikel und Bentonit zu größeren Klumpen zu binden, wobei beim Zusammenballen zusätzliche Organika eingeschlossen wurden. Nach einer kurzen Absetzzeit wurde das geklärte Wasser durch Filterpapier geleitet, um den entstehenden Schlamm zu erfassen, sodass eine deutlich sauberere Flüssigkeit übrig blieb.

Was die Experimente zeigten

Das Team bewertete die organische Belastung mit drei gebräuchlichen Indikatoren: Gesamtorganischer Kohlenstoff (TOC) und zwei Varianten des chemischen Sauerstoffbedarfs, COD(Mn) und COD(Cr), die anzeigen, wie viel Oxidationsmittel zur Zersetzung der Organika erforderlich ist. Mit optimierten Dosierungen von Aktivkohle, Bentonit und Eisen(III)-chlorid reduzierte der Prozess den TOC um etwa das 2,85‑Fache, COD(Mn) um 2,63‑Fache und COD(Cr) um 4,19‑Fache—was einer Entfernung von etwa 75 % der gelösten Organik entspricht. Statistische Analysen zeigten, dass Aktivkohle und das eisenbasierte Flockungsmittel die Hauptbeiträge zur Reinigungswirkung lieferten, während die Rolle des Bentonits subtler war. In moderaten Mengen beschleunigte Bentonit die Flockung und Sedimentation, doch eine übermäßige Zugabe stabilisierte die kolloiden Partikel und verringerte die entfernbare Menge an organischer Substanz.

Verständnis unterschiedlicher Belastungstests

In der Praxis messen Labore organische Belastung nicht immer auf die gleiche Weise; einige arbeiten mit COD(Cr), andere mit COD(Mn) oder TOC. Um diese Lücke zu schließen, entwickelten die Autoren mathematische "Umrechnungs"‑Modelle, mit denen sich ein Indikator aus einem anderen mithilfe einfacher Gleichungen abschätzen lässt. Innerhalb des Bereichs ihrer Experimente konnten COD(Cr)-Werte zuverlässig in COD(Mn) oder TOC übersetzt werden, was Betreiber:innen hilft, Ergebnisse zu vergleichen, die Behandlung zu bewerten und Entscheidungen zu treffen, selbst wenn nur eine Testart verfügbar ist. Das erleichtert die Integration der Methode in bestehende Anlagensteuerungen, ohne Laborroutinen grundlegend ändern zu müssen.

Vom Schlamm zur festen Sicherheit

Über die Wasserreinigung hinaus beleuchtet die Studie, was mit den gebundenen Schadstoffen geschieht. Der kombinierte Sorptions‑/Flockungsprozess konzentriert organische Stoffe und Radionuklide in einem Schlamm, der in spezielle alkalische Betone, sogenannte Geokonzrete, eingemischt werden kann. Diese Materialien sind gegenüber Auswaschung widerstandsfähig und benötigen keine Hochtemperaturverarbeitung, sodass sich Radionuklide dauerhaft in fester Form einschließen lassen und das behandelte Wasser sicher in die Umwelt zurückgeführt werden kann. Für die Ukraine, in der Kernenergie eine wichtige Rolle spielt, Frischwasser knapp ist und Infrastruktur unter Kriegsbelastung steht, könnten solche kostengünstigen, energiearmen und robusten Verfahren die Risiken durch gelagerte radioaktive Flüssigkeiten deutlich vermindern.

Was das im Alltag bedeutet

Vereinfacht gesagt zeigen die Forschenden, dass man nicht immer hochmoderne, energieintensive Technik benötigt, um radioaktives Abwasser sicherer zu machen. Durch eine kluge Kombination bewährter Schritte—Aktivkohle, die organische Schadstoffe einfängt; Ton und Eisensalze, die Partikel verklumpen und absetzen lassen; und anschließende Filtration—wurden etwa drei- bis vierfache Reduktionen der organischen Belastung erzielt. Das macht die verbleibenden radioaktiven Abfälle leichter verfestigbar und reduziert das Volumen gefährlicher Flüssigkeiten, die gelagert werden müssen. Für die Öffentlichkeit weist diese Arbeit auf erschwinglichere und leichter einsatzbare Wege hin, um die flüssigen Nebenprodukte der Kernenergie auch in Regionen mit knappen Budgets und belasteter Infrastruktur besser zu kontrollieren.

Zitation: Charnyi, D., Zabulonov, Y., Lukianova, V. et al. Adaptation of conventional water treatment technologies for organic component removal from liquid radioactive waste: sorption and coagulation mechanisms. Sci Rep 16, 2626 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36799-2

Schlüsselwörter: radioaktive Abwässer, Aktivkohle, Bentonit, Flockung und Filtration, Behandlung von Atommüll