Sales de gadolinio en el agua: solubilidad, eliminación y concentración
El cloruro y el nitrato de gadolinio pueden aportar gadolinio disuelto al agua, mientras que el carbonato, el oxalato, el fosfato y el fluoruro son sólidos poco solubles. Para seleccionar un proceso de eliminación o concentración no basta con medir el gadolinio total: también importan la forma química, el pH y las demás sustancias disueltas.
Esta guía aborda las sales de gadolinio comunes disponibles comercialmente y los cálculos prácticos para el tratamiento del agua. Para conocer su presencia y sus vías de dispersión en el medio ambiente, véase el gadolinio en el agua.
Sales de gadolinio comunes y solubilidad en agua
La tabla describe el comportamiento cualitativo, no una concentración de saturación universal. La temperatura, la forma hidratada, la acidez y los agentes complejantes pueden modificar la cantidad que se disuelve. Al preparar soluciones o diseñar un proceso, utilice los datos correspondientes al producto concreto y a las condiciones de operación.
| Sal | Fórmula representativa | Comportamiento en el agua | Importancia práctica |
|---|---|---|---|
| Cloruro de gadolinio(III) hexahidratado | GdCl3·6H2O | Soluble en agua. | Fuente soluble de Gd(III); el hidrato contiene menos gadolinio por gramo que el cloruro anhidro. |
| Nitrato de gadolinio(III) hexahidratado | Gd(NO3)3·6H2O | Muy soluble. | La preparación de la solución debe tener en cuenta tanto la carga de gadolinio como la de nitrato. |
| Sulfato de gadolinio(III) octahidratado | Gd2(SO4)3·8H2O | Soluble en agua fría. | Compruebe la solubilidad en función de la temperatura y la química del sulfato antes de concentrar una solución. |
| Carbonato de gadolinio(III) hidratado | Gd2(CO3)3·xH2O | Poco soluble en agua. | Un sólido en suspensión no equivale al gadolinio disuelto; la hidratación variable afecta a los cálculos de masa. |
| Oxalato de gadolinio(III) hidratado | Gd2(C2O4)3·xH2O | Poco soluble en agua; su solubilidad depende de la acidez y de la concentración de oxalato. | Importante para la precipitación y la recuperación; es necesario medir el gadolinio disuelto residual. |
| Fosfato de gadolinio(III) | GdPO4, también en formas hidratadas | Solubilidad muy baja en agua. | La formación de un sólido puede transferir el gadolinio a los lodos sin destruir el elemento. |
| Fluoruro de gadolinio(III) | GdF3 | Poco soluble en agua. | Tanto el fluoruro como el gadolinio deben tenerse en cuenta en el tratamiento y la gestión de los residuos. |
Las sales disueltas son distintas de los quelatos de gadolinio
El gadolinio de estas sales es predominantemente trivalente, Gd(III). Tras la disolución, su distribución entre iones hidratados, complejos y sólidos depende de la composición del agua. El nombre de la sal añadida originalmente no describe todas las especies presentes posteriormente.
Los agentes de contraste para resonancia magnética a base de gadolinio mantienen el gadolinio unido a ligandos orgánicos. Estos quelatos pueden permanecer disueltos y comportarse de manera distinta al Gd(III) no complejado. Por tanto, ensayar un proceso con cloruro de gadolinio no demuestra que elimine de forma equivalente un agente de contraste intacto. Los estudios sobre aguas residuales han demostrado que la eliminación del gadolinio procedente de agentes de contraste es incompleta y que es importante realizar análisis específicos de cada compuesto.
Eliminación del gadolinio del agua
Separación de sólidos y precipitación
La sedimentación y la filtración pueden separar partículas que contienen gadolinio; por sí solas no demuestran la eliminación de las especies disueltas. Cuando la química permite formar una sal poco soluble, la precipitación seguida de la separación de sólidos puede transferir el gadolinio a un sólido recuperable o eliminable. Los estudios sobre oxalato y fosfato de gadolinio ilustran esta química, pero ninguno proporciona un pH de operación ni una dosis universales para las aguas residuales.
Analice el agua real para determinar el gadolinio disuelto residual y el gadolinio total, el consumo de reactivos, la separación de sólidos y la posible redisolución. Una complejación fuerte puede impedir el comportamiento esperado de una solución salina simple. La adición de un agente precipitante también modifica el agua tratada y genera un residuo que debe gestionarse.
Adsorción e intercambio iónico
La adsorción y el intercambio iónico pueden estudiarse para el gadolinio disuelto. Seleccione los medios según las especies presentes: una especie de Gd(III) con carga positiva y un quelato neutro o con carga negativa no tienen por qué unirse al mismo medio. Los iones competidores, la materia orgánica, la capacidad, el punto de ruptura y la regeneración determinan el rendimiento práctico. Las investigaciones recientes sobre la captura de gadolinio de uso médico destacan la necesidad de ensayar quelatos específicos y condiciones realistas de competencia entre iones.
Para evaluar un proceso, resulta útil disponer de datos sobre el caudal, el pH, la temperatura, el gadolinio total y disuelto, los iones principales, la materia orgánica y cualquier agente de contraste u otro ligando conocido. Los resultados de laboratorio y de las pruebas piloto deben establecer la concentración alcanzable en el efluente y la composición del medio agotado, la solución regenerante o los lodos.
Concentración: mg/L expresados como Gd frente a mg/L de sal
La concentración de gadolinio elemental y la concentración de sal son magnitudes diferentes. Utilizando una masa atómica del gadolinio de 157,25 g/mol:
mg/L expresados como Gd = mg/L de sal × (número de átomos de Gd por unidad fórmula × 157,25) / masa molar de la sal.
| Sal pura pesada | Masa molar aproximada | Gadolinio procedente de 100 mg/L de sal |
|---|---|---|
| Cloruro anhidro; GdCl3 | 263,60 g/mol | 59,7 mg/L como Gd |
| GdCl3·6H2O | 371,69 g/mol | 42,3 mg/L como Gd |
| Gd(NO3)3·6H2O | 451,35 g/mol | 34,8 mg/L como Gd |
Estos ejemplos suponen el hidrato puro indicado y su disolución completa. Ajuste los cálculos según la riqueza del producto, la humedad y cualquier fracción no disuelta. Una concentración de gadolinio de 1 mmol/L equivale a 157,25 mg/L como Gd. El análisis de gadolinio total no permite identificar qué sal o quelato lo aportó.
Concentración y recuperación del gadolinio
Eliminar el gadolinio de la corriente principal de agua y recuperarlo como producto útil son objetivos distintos. Un sólido capturado o una solución regenerante pueden contener otros elementos de tierras raras y contaminantes. La concentración por sí sola no demuestra la pureza ni el valor comercial del producto.
Como ejemplo de balance de materia, 1 m3 de agua con una concentración de 10 mg/L como Gd contiene 10 g de gadolinio. Capturar el 90 % de esa masa en un volumen líquido final de 10 L daría 900 mg/L como Gd, con un factor de concentración de 90. Se trata de un cálculo, no de un rendimiento esperado del tratamiento. Al evaluar un proceso real, tenga en cuenta todas las corrientes de salida, los sólidos residuales y las pérdidas.
Fuentes
- ProChem: cloruro de gadolinio hexahidratado, nitrato de gadolinio y fluoruro de gadolinio.
- Thermo Scientific Chemicals: sulfato de gadolinio octahidratado.
- American Elements: compuestos de gadolinio y carbonato hidratado.
- Savannah River National Laboratory: Solubilidad del gadolinio en función del HNO3 y del oxalato.
- Síntesis y caracterización de un absorbente de neutrones de fosfato de gadolinio.
- Análisis de especiación y dilución isotópica de agentes de contraste a base de gadolinio en aguas residuales.
- Estrategia sostenible para evitar que el gadolinio de uso médico llegue a las aguas superficiales.
- Royal Society of Chemistry: datos atómicos del gadolinio.
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