Recycling of industrial by-products as heterogeneous Fenton catalyst and geopolymeric precursor: integrated waste management of ion-exchange resins

A specific class of wastes, namely radioactive solid organic waste, which includes ion-exchange resins (IER), was the subject of this work developed within the EU-funded H2020 PREDIS project. Their peculiar characteristics render them incompatible with approaches of direct conditioning in conventional matrices, therefore requiring novel and complex approaches. The promising results recently obtained with the homogeneous Fenton treatment, combined with its conceptual simplicity, cheapness of reagents, and low temperature, renders it a suitable treatment path. In parallel, the encapsulation of treatment residues in geopolymeric matrices, an alternative to Portland cement, solves issues such as the incompatibility with sulphates, the increase in final volumes, and the long-term and thermal durability. In this work, a strategy for the pre-disposal management of nuclear-grade IER has been proposed and investigated. The addressed route consists in a heterogeneous Fenton oxidation coupled with the encapsulation in an optimized geopolymeric matrix, with focus on integrating the two processes and recycling of industrial by-products. In particular, heterogeneous catalysts cope with issues such as the increase of final volumes, the consumption of catalyst, the narrow operational ranges, and the production of sludges challenging to encapsulate. Coal fly ash (CFA) and electric arc furnace slag (EAFS) have been tested as catalysts for the Fenton process and as precursors for the geopolymer matrix. The Fenton process has been optimized at the laboratory scale, with both catalysts providing more than 60% weight reduction and more than 90% carbon reduction. The obtained residues have been encapsulated in a novel matrix containing both CFA and EAFS. Effective loading factor (LFeff) of degraded resin of 6% wt. and 12% wt. resulted in waste forms compliant with the waste acceptance criteria for lixiviation and compression tests. With this integrated approach, 1 m3 of IER would result in 1.5 m3 and 1.3 m3 of waste form (12% wt. LFeff) for CFA and EAFS treatment, respectively; hence allowing for significant savings in storage space, compared to canonical disposal paths.

Una specifica classe di rifiuti, i rifiuti radioattivi organici solidi, che include le resine a scambio ionico (IER) è l’oggetto di questo lavoro sviluppato durante il progetto H2020 PREDIS finanziato da UE. Questi rifiuti hanno caratteristiche peculiari incompatibili con i tradizionali metodi di smaltimento, richiedendo quindi approcci nuovi e inevitabilmente più complessi. I promettenti risultati recentemente ottenuti con il trattamento Fenton in condizione omogenea di IER, combinati con la semplicità concettuale, economicità dei reagenti e basse temperature operative, lo rendono un trattamento valido. Parallelamente, l’incapsulamento in geopolimeri, un’alternativa al cemento Portland, risolve problemi legati all’incompatibilità con i solfati, aumento dei volumi finali e durevolezza a lungo termine. In questo lavoro di tesi, sono stati studiati l’ossidazione Fenton eterogenea di IER di grado nucleare e l’incapsulamento in una matrice geopolimerica ottimizzata, con attenzione particolare all’integrazione dei due processi tramite il riciclo di scarti industriali. I catalizzatori eterogenei risolvono problemi come aumento dei volumi finali, consumo del catalizzatore, limitati intervalli di condizioni operative e fanghi difficili da incapsulare. Cenere volante da impianti a carbone (CFA) e scorie da forno ad arco elettrico (EAFS) sono state testate come catalizzatori per il processo Fenton e come precursori per i geopolimeri, fornendo risultati promettenti. Il processo Fenton è stato ottimizzato in scala di laboratorio, con più di 60% di riduzione in peso e 90% di riduzione di carbonio raggiunti da entrambi i catalizzatori. I residui ottenuti sono stati incapsulati in una nuova matrice contenente CFA e EAFS. Con fattori di caricamento effettivi (LFeff) di resina degradata del 6% e 12% in massa sono stati ottenuti manufatti in linea con le richieste dell’ente regolatore in termini di resistenza a compressione e lisciviazione. Con questo approccio integrato, 1.5 m3 and 1.3 m3 di manufatti (LFeff 12% in massa) si ottengono dal trattamento di 1 m3 di IER, rispettivamente con CFA e EAFS; permettendo di risparmiare spazio nei depositi rispetto ai metodi convenzionali.