Published December 12, 2014 | Version v1
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Study of the synthesis of TiO2 layers on macroporous ceramic supports in supercritical (SC) CO2 for processing radioactive aqueous effluents in dynamic mode

Description

Public and military nuclear industry generates a significant amount of radioactive liquid waste which must be treated before being released into the environment. Decontamination methods alternative to the industrial techniques (evaporation, chemical treatment) are being developed, such as column treatments or coupled filtration/sorption processes. Current researches mainly focus on the development and shaping of specific sorbents. In this context, the objectives of this thesis were first to study the synthesis of TiO2 layers on macroporous ceramic supports in supercritical (SC) CO2 and then to evaluate their potential for radionuclide extraction in these alternative processes. A robust synthesis method has been developed, based on the thermal decomposition of titanium isopropoxide in SC CO2 in the temperature range between 150 C and 350 C. Nano-structured TiO2 films were formed on the macroporous supports (ceramic foams, tubular α-alumina supports) with good adhesion, already at 150 C. The effect of the synthesis temperature on sorbents physico-chemical characteristics and sorption properties has been studied with TiO2 powders prepared under the same conditions as the supported films. The best sorption performance were observed for the powder prepared at 150 C, owing to its higher density of surface sites in comparison with powders prepared at either 250 C or 350 C. Consequently, this synthesis temperature (150 C) was selected for a detailed study of the composite sorbents (TiO2/support), in order to assess their sorption performance in continuous treatment processes. The sorption experiments have shown that a column of alumina macroporous foam (Φpore = 400μm) coated with TiO2 was suitable for processing effluents in dynamic mode with high throughputs. Both macro-pore sizes and column height were revealed as important parameters to be controlled. For the coupled filtration/sorption treatment, TiO2 membranes exhibit good mechanical strength and are able to extract strontium. On the other hand in the case of strontium, composite sorbents (TiO2/foam or TiO2/tubular support) can be fully regenerated by using an acidic aqueous solution (pH = 3). (author)

Abstract (French)

L'industrie nucleaire publique et militaire genere une quantite importante d'effluents liquides radioactifs qu'il faut traiter avant leur rejet dans l'environnement. Des procedes de decontamination alternatifs aux techniques industrielles (evaporation, traitement chimique) sont en cours de developpement, comme par exemple le traitement en colonne ou le couplage filtration/sorption. Une partie des recherches associees a ces techniques de decontamination porte sur l'elaboration et la mise en forme de sorbants specifiques. Dans ce contexte, les objectifs de cette these etaient d'une part d'etudier la synthese en milieu CO2 supercritique (SC) de films de TiO2 deposes sur des supports macroporeux et d'autre part d'evaluer leur potentiel d'extraction dans ces procedes alternatifs. Une methode de synthese reproductible a ete mise au point, basee sur la decomposition thermique de l'isopropoxyde de titane en milieu CO2 SC entre 150 C et 350 C. Des 150 C, cette methode permet la realisation de films de TiO2 nanostructures et adherents sur des supports macroporeux en ceramique (mousses, supports tubulaires en alumine α). L'effet de la temperature de synthese de ces materiaux sur leurs caracteristiques physico-chimiques et leurs proprietes de sorption a ete etudie sur des poudres de TiO2 elaborees dans les memes conditions que les films supportes. Les meilleures performances de sorption ont ete observees pour la poudre obtenue a 150 C, du fait de sa plus grande densite de sites de surface par rapport aux poudres elaboree a 250 C et 350 C. Cette temperature de synthese (150 C) a donc ete selectionnee pour l'etude detaillee des sorbants composites (TiO2/supports) afin d'evaluer leurs performances de sorption dans les procedes de traitement en continu. Les essais de sorption en colonne ont montre qu'une mousse en alumine macroporeuse (Φpore=400μm) revetue de TiO2 est adaptee pour traiter des effluents en mode dynamique a fort debit. La taille des macropores et la hauteur de colonne sont des parametres importants a maitriser. Pour le traitement par filtration/sorption, les membranes de TiO2 presentent une bonne resistance mecanique et sont capables d'extraire le strontium en mode dynamique. D'autre part dans le cas du strontium, les sorbants composites (TiO2/mousse ou TiO2/support tubulaire) sont regenerables a 100% a l'aide d'une solution aqueuse acidifiee (pH=3)

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Original title (French)
Etude de l'elaboration en milieu CO2 supercritique de films de TiO2 supportes pour le traitement en mode dynamique d'effluents aqueux radioactifs

Publishing Information

Imprint Pagination
234 p.
Report number
FRCEA-TH--7016

Optional Information

Notes
165 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/; Also available from SCD Universite de Montpellier. Place Eugene Bataillon bat 8 34090 Montpellier (France)