Chromspeziierungsanalyse von Abwasser aus PSI-Anlagen

Das Hotlabor ist eine in der Schweiz einzigartige Einrichtung zur sicheren und gefahrlosen Untersuchung der Eigenschaften hochgiftiger, radioaktiver Substanzen und Materialien. Durch die Gruppe Nachbehandlung radioaktiver Materialien (NRM) verfügt das Hotlabor auch über Fachkompetenz in der Abfallbehandlung und ist für die Entsorgung von aktivem und inaktivem Abwasser aus allen PSI-Anlagen östlich der Aare zuständig. Bei Abwasser, das nach Messungen frei von radioaktiven Stoffen ist, befolgt die Hotlabor-Anlage die Schweizerische Gewässerschutzverordnung (814.201), um dieses Material sicher zu entsorgen, einschließlich der Unterscheidung zwischen kontaminiertem und nicht kontaminiertem Abwasser.

Chrom kommt in verschiedenen Oxidationsstufen vor. Dreiwertiges Chrom (Cr(III)) ist ein essenzieller Nährstoff für Lebewesen, während sechswertiges Chrom (Cr(VI)) hochgiftig ist und in biologischen Systemen als Karzinogen, Mutagen und Teratogen wirkt¹. Daher reichen Messungen der Gesamt-Cr-Konzentration nicht aus, um alle Entscheidungen zur Abfallbehandlung umfassend zu treffen. Vielmehr ist auch eine gemessene durchschnittliche tägliche Cr(VI)-Konzentration unter 0,1 ml/l (0,1 ppm) erforderlich, wie in der Schweizerischen Gewässerschutzverordnung (814.201) beschrieben.

Die genaue quantitative Analyse der Chromspeziation ist eine große analytische Herausforderung. Die häufig verwendeten ICP-MS- und ICP-OES-Verfahren können nicht zwischen verschiedenen Oxidationsstufen von Chrom unterscheiden, da beide Spezies identisches Atomgewicht und identische ICP-OES-Emissionsspektren aufweisen. Eine praktikable Strategie für die relative Quantifizierung von Cr(VI) gegenüber Gesamtchrom ist die chromatographische Trennung, gefolgt von einer ICP-MS-Analyse aller Cr-haltigen Aliquots unter Verwendung der Infrastruktur der Gruppe „Analytics Radioactive Materials“ (ARM).

Ionenchromatographiegeräte (IC) sind relativ einfach aufgebaut und bestehen aus einem Elutionsmittel für den Probendurchlauf, Pumpsystemen, die abwechselnd arbeiten und dabei einen konstanten Druck aufrechterhalten, einem Injektor, einer Trennsäule, einem chemischen Suppressor und einem Detektor zur Erzeugung der Chromatogramme². Die IC kann herkömmliche chemische Methoden ersetzen und ermöglicht eine automatisierte chemische Reinigung und/oder Trennung mit minimalem Bedienungsaufwand, was zu einer verbesserten technischen Leistung führt.

Die chromatographischen Trennungen wurden mit dem Metrohm 940 Professional IC Vario-System (Abbildung 1) durchgeführt, das mit einer Thermo Scientific Dionex AG-7-Säule (2 mm Innendurchmesser, 50 mm Länge) ausgestattet war und 0,3 M HNO₃ als Elutionsmittel in einem isokratischen Trennschema verwendete, das aus³ adaptiert wurde. Im Gegensatz zu vielen bestehenden Methoden zur Cr-Speziation, die auf einer umfangreichen Vorbehandlung (z. B. EDTA-Komplexierung) beruhen⁴, minimiert dieser Arbeitsablauf die Manipulation, reduziert Abfall, vermeidet die Verwendung organischer Komplexbildner und ermöglicht eine saubere Sammlung und Übertragung von Cr-Fraktionen.

Unter Verwendung von reinem Cr(III), reinem Cr(VI) und gemischten zertifizierten Standardlösungen haben wir überprüft, dass die Spezies während der Fraktionssammlung stabil bleiben (Abbildung 2). Cr(VI) wird innerhalb der ersten 60 Sekunden vollständig aus der Säule entfernt, während Cr(III) erst zwischen 120 und 180 Sekunden nach Beginn der Probenverarbeitung entfernt wird. Dadurch können die durch ICPMS in der ersten und dritten Aliquote quantifizierten Cr-Konzentrationen als Cr(VI)- bzw. Cr(III)-Konzentrationen interpretiert werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass genaue Informationen zur Cr-Speziation ohne direkte IC-ICP-MS-Kopplung erzielt werden können. In weiteren Arbeiten wird das Verhalten der verschiedenen Cr-Spezies in komplexen Matrizen untersucht, die der chemischen Zusammensetzung von Abwasser nahekommen, um eine robuste Trennung ohne zusätzliche Reinigung zu bestätigen.