MOLECULAS MAGNETICAS: PROCEDIMIENTO QUE UTILIZA FERRITINAS MAGNETICAS FUNCIONALIZADAS PARA LA ELIMINACION SELECTIVA DE CONTAMINANTES DE UNA SOLUCION POR FILTRACION MAGNETICA.

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

Moléculas magnéticas: procedimiento que utiliza ferritinas magnéticas funcionalizadas para la eliminación selectiva de contaminantes de una solución por filtración magnética.

Antecedentes

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.

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.

Sumario de la invención

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....

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.