Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Uranium (U) is a naturally occurring component in bedrock and under the "right" conditions it can dissolve and move into the ground water. Since many people in Sweden depend on drilled wells as their main drinking water supply, they may be exposed to the uranium in the water.

Radioactive radiation is not the major concern associated with naturally occurring uranium. It is rather the chemical properties of uranium that make it a potential danger to human health. Uranium is proven to have toxic effects with respect to the functioning of the kidneys. In epidemiological studies and experiments performed on animals negative effects have been observed after consumption of drinking water with a uranium concentration of 200-300 micrograms U/l. By adding a safety margin a range of maximum contamination levels (MCL) have been defined for drinking water in a number of countries. In Sweden the intervention level for drinking water is 15 micrograms U/l.

To reduce the uranium level in drinking water a number of different techniques can be used, for example conventional coagulation and filtration, pressure-driven filtration, adsorption or ion exchange. How successful a method turns out to be mainly depends on the chemical constituents in the ground water. Factors such as pH influence the solubility of uranium-complexes as well as their charge.

In this experiment a small scale ion exchange pilot was constructed and tested at two locations. At first the pilot was located at the water laboratory in Uppsala for 13 months and after that at the waterworks in Björklinge for 10 months. Untreated water was pumped to a column containing an anion exchange resin material. After passing through the column samples of treated water were collected and the amount of water passing through the column was measured. During the experiment two anion exchange resins were tested in parallel to each other, Dowex 21 K and Amberlite 900 Cl. Both resins showed very good results, i.e. there was a U reduction of more than 99 %, at the start of the experiment and directly after each regeneration.

With respect to the concentration of uranium in the water the resins used in Uppsala should last longer than those in Björklinge since the water in Uppsala contains less uranium. In reality the opposite occurred despite that the same types of resins were used at the two locations. In Uppsala about 30 000 bed volumes could be treated before breakthrough while in Björklinge the U reduction was still 90 % after treatment of 120 000 bed volumes. Apart from uranium the greatest difference in water chemistry between the two locations was the amount of dissolved organic matter (DOM). There seemed to be an inverse relationship between the concentration of DOM and the capacity of the resin. This indicates that the chemistry of the untreated water is of great importance for the success of the technique.

The results indicate that ion exchange is an effective method to remove uranium from water. However one disadvantage is the lack of information on how to handle used resins. Another disadvantage is the build-up of high concentrations of uranium in the resin which may generate dangerously high loads of radiation.

Uran finns naturligt i berggrunden och vid ”rätt” kemiska förhållanden kan det lösas ut till
grundvattnet och därigenom hamna i dricksvattnet eftersom många svenskar tar sitt vatten
från bergborrade brunnar.
Naturligt förekommande uran är inte en hälsofara genom sin strålning utan främst på grund av
sina kemiska egenskaper som tungmetall. Djurförsök och epidemiologiska studier har visat att
uran i dricksvattnet kan påverka njurarnas funktion. Signifikanta njureffekter har noterats vid
en uranhalt på 200-300 mikrogram per liter vatten. Uranet gör att ämnen som kroppen skulle
ha återanvänt förloras till urinen. Genom att lägga till en säkerhetsmarginal och ta hänsyn till
hur stor del av det dagliga intaget av uran som kommer från dricksvattnet har riktvärden eller
gränsvärden för uran tagits fram i flera länder. I Sverige antogs ett riktvärde på 15 mikrogram
per liter dricksvatten i september 2005.
För att reducera höga halter av uran i dricksvatten har flera olika metoder tagits fram. Man
kan till exempel låta uranet fastna i ett filter (tryckdriven membranfiltrering), fälla ut det med
lämpliga kemikalier (kemisk fällning), byta ut det mot andra joner (jonbytesteknik) eller
adsorbera det till en yta (adsorptionsteknik).
I det här pilotförsöket användes jonbytesteknik för att rena vattnet från uran. Vattnet fick
passera genom en kolonn fylld med anjonbytarmassa varvid uranet byttes ut mot kloridjoner.
Försökspiloten var först lokaliserad till vattenlaboratoriet i Uppsala men flyttades efter 13
månaders drift till vattenverket i Björklinge där den var kvar i 10 månader. Två
jonbytarmassor testades parallellt, Dowex 21 K och Amberlite IRA 900 Cl. I samband med
flyttningen av piloten startades försöket på nytt och de använda jonbytarmassorna byttes ut
mot nya av samma sort.
Båda jonbytarmassorna gav mycket goda resultat, med en reningsgrad på över 99 % vid start
och direkt efter regenerering. Om man endast tog hänsyn till uranhalten skulle vattnet i
Björklinge förorsaka mättnad av jonbytarmassan fortare än vattnet i Uppsala eftersom det
förstnämnda innehåller mer uran. Resultatet visar dock det motsatta trots att samma sort av
jonbytarmassor användes vid de två lokalerna. I Uppsala kunde omkring 30 000 bäddvolymer
behandlas innan det blev ett genombrott för uran medan samma anläggning i Björklinge efter
ca 120 000 bäddvolymer fortfarande hade en reningsgrad på 90 %. Detta tyder på att vattnets
kemi har stor betydelse för hur bra en metod fungerar. Förutom uranhalten är den största
skillnaden mellan de två vattnen att innehållet av löst organiskt material är högre i Uppsala än
i Björklinge. Eftersom även löst organiskt material kan tas upp av jonbytarmassorna är nog
detta orsaken till den tidigare mättnaden av jonbytarmassan i Uppsala jämfört med i
Björklinge.
Jonbytesteknik är en effektiv reningsmetod, men som alla andra metoder har den sina för- och
nackdelar. Nackdelar med många metoder, inklusive jonbytesteknik, är oklarheter beträffande
förvaringen av förbrukat material och risken för en uppkoncentrering av uran i filter, slam
eller jonbytarmassa. Detta kan leda till farliga stråldoser i närheten av anläggningen.