Determination of Trace Nickel and Zinc in Borated Power Plant Waters Containing Lithium Hydroxide Using Nonsuppressed Conductivity Detection

Význam tématu

V tlakovodních reaktorech jaderných elektráren hraje chemie primární chladicí vody klíčovou roli při prevenci koroze a minimalizaci radioaktivních polí. Stopové koncentrace niklu a zinku ovlivňují tvorbu aktivačních produktů a degradaci kovových komponent. Spolehlivé stanovení těchto kovů v prostředí s vysokým obsahem boru a lithia umožňuje optimalizovat protikorozní ošetření, snížit náklady na údržbu a omezit vystavení personálu radiaci.

Cíle a přehled studie / článku

Studie si klade za cíl navrhnout a ověřit jednoduchou, citlivou a robustní metodu pro stanovení nízkých μg/L hladin niklu a zinku ve vodách obsahujících 1000–2500 mg/L boru a 1,8–5 mg/L lithia. Metoda využívá kationtovou výměnnou chromatografii doplněnou o nenávysušovanou vodivostní detekci a předkoncentraci vzorku.

Použitá metodika

Metoda zahrnuje:

• Kationtovou výměnnou chromatografii na analytické koloně IonPac SCS 1 (4 × 250 mm) se strážnou kolonou SCG 1 (4 × 50 mm).
• Eluent sestávající z 2,5 mM metansulfonové kyseliny, 1,2 mM kyseliny šťavelové a 2 mM kyseliny askorbové (pH ~2,6).
• Předkoncentraci 3 mL vzorku na trubicovém koncentrátoru TCC-ULP1 (5 × 23 mm).
• Průtok 1 mL/min, teplotu kolony 30 °C a objem vzorku 3 mL.
• Detekci vodivostním detektorem s nenávysušovanou modulací signálu a reverzní polaritou.

Použitá instrumentace

• Ion chromatografický systém Thermo Scientific Dionex ICS-3000 (DP čerpadlo, DC detektor, AS autosampler).
• Autosampler se stříkačkou 5 mL a jehlou 8,2 mL pro velké objemy.
• Dionex IonPac Mixer pro stabilizaci průtoku eluentu.
• Chromeleon 6.8 pro řízení systému a vyhodnocení chromatogramů.

Hlavní výsledky a diskuse

Metoda prokázala:

• Limity detekce (LOD) 0,76 µg/L pro nikl a 0,43 µg/L pro zinek (S/N=3).
• Limity kvantifikace (LOQ) 2,5 µg/L pro nikl a 1,42 µg/L pro zinek (S/N=10).
• Lineární rozsah 2,5–25 µg/L pro oba prvky s r² > 0,999.
• Přesnost retence RSD 0,02–0,35 % a plochy 0,7–2,3 %.
• Přesnost stanovení ve vzorcích s 1000–2500 mg/L boru a 1,8–5 mg/L lithia: 94–102 % obnovení.
• Retenční časy mírně stoupají s vyšší koncentrací lithia, bez vlivu na přesnost kvantifikace.

Přínosy a praktické využití metody

Navržená metoda eliminuje nutnost složitých postkolonových reagencií, zkracuje dobu analýzy i přípravy, snižuje náklady na spotřební materiál a zachovává vysokou citlivost a selektivitu pro rutinní monitoring jaderných vod.

Budoucí trendy a možnosti využití

Potenciální rozšíření zahrnují online/automatizované monitorování, miniaturizaci kolonek, další zlepšení detekčních limitů a úpravy pro speciační analýzu železa (Fe(II)/Fe(III)) nebo dalších kovů.

Závěr

Metoda kationtové výměnné chromatografie s nenávysušovanou vodivostní detekcí prokázala vysokou citlivost, linearitu a robustnost v náročných matrikách jaderných vod. Je vhodná pro rutinní stanovení stopových koncentrací niklu a zinku a podporuje efektivní řízení chemie chladicího systému.

Reference

1. Nuclear Energy Institute. Key Issues – Electricity Supply, Washington, DC, 2009.
2. World Nuclear Association. Nuclear Power Reactors, London, UK, 2009.
3. Millet P.J., Wood C.J. Recent Advances in Water Chemistry Control at US PWRs. Proceedings of 58th International Water Conference, 1997.
4. Electric Power Research Institute. Pressurized Water Reactor Materials Reliability Program, Palo Alto, CA, 2009.
5. International Atomic Energy Agency. Assessment and Management of Ageing of Major Nuclear Power Plant Components Important to Safety, IAEA-TECDOC-1361, 2003.
6. Pastina B., Isabey J., Hickel B. The Influence of Water Chemistry on the Radiolysis of the Primary Coolant Water in Pressurized Water Reactors. J. Nucl. Mater., 1999.
7. Nordmann F. Aspects on Chemistry in French Nuclear Power Plants. Proceedings of International Conference on the Properties of Water and Steam, Kyoto, 2004.
8. Piippo J., Saario T. Influence of Zinc on Oxide Layer Growth in Simulated Primary Coolant. British Nuclear Energy Society Conference, 1996.
9. Underwood J.W. Brown’s Ferry Unit 1 Recovery Dose and Source Term Reduction Initiatives, 2005.
10. Marchetti L. et al. Corrosion Mechanisms of Ni-Base Alloys in PWR Primary Conditions. Mater. Sci. Forum, 2008.
11. Dionex Corporation. Application Note 131: Determination of Transition Metals at ppt Levels in High-Purity Water, 1998.
12. Dionex Corporation. Application Note 158: Determination of Trace Sodium and Transition Metals by IC with Nonsuppressed Conductivity, 2004.
13. Nováková L., Solich P., Solichová D. HPLC Methods for Simultaneous Determination of Ascorbic and Dehydroascorbic Acids. Trends Anal. Chem., 2008.
14. Electric Power Research Institute. PWR Primary Water Zinc Application Guidelines, 2006.
15. Keypour H. et al. Studies on the Reactions of Ferric Iron with Ascorbic Acid. Inorg. Chim. Acta, 1986.
16. Weiss J. Ion Chromatography, VCH, New York, 1995.