Sais de gadolínio na água: solubilidade, remoção e concentração
O cloreto e o nitrato de gadolínio podem introduzir gadolínio dissolvido na água, enquanto o carbonato, o oxalato, o fosfato e o fluoreto são sólidos pouco solúveis. A escolha de um processo de remoção ou concentração exige mais do que uma medição do gadolínio total: a forma química, o pH e as outras substâncias dissolvidas são importantes.
Este guia aborda sais de gadolínio comuns disponíveis comercialmente e cálculos práticos para o tratamento de água. Para informações sobre a ocorrência e as vias de dispersão ambiental, consulte gadolínio na água.
Sais comuns de gadolínio e solubilidade em água
A tabela descreve o comportamento qualitativo, não uma concentração de saturação universal. A temperatura, a forma hidratada, a acidez e os agentes complexantes podem alterar a quantidade que se dissolve. Ao preparar soluções ou conceber um processo, utilize dados relativos ao produto específico e às condições de funcionamento.
| Sal | Fórmula representativa | Comportamento na água | Relevância prática |
|---|---|---|---|
| Cloreto de gadolínio(III) hexa-hidratado | GdCl3·6H2O | Solúvel em água. | Uma fonte solúvel de Gd(III); o hidrato contém menos gadolínio por grama do que o cloreto anidro. |
| Nitrato de gadolínio(III) hexa-hidratado | Gd(NO3)3·6H2O | Altamente solúvel. | A preparação da solução deve ter em conta tanto a carga de gadolínio como a de nitrato. |
| Sulfato de gadolínio(III) octa-hidratado | Gd2(SO4)3·8H2O | Solúvel em água fria. | Verifique a solubilidade em função da temperatura e a química dos sulfatos antes de concentrar uma solução. |
| Carbonato de gadolínio(III) hidratado | Gd2(CO3)3·xH2O | Pouco solúvel em água. | Um sólido em suspensão não equivale a gadolínio dissolvido; a hidratação variável afeta os cálculos de massa. |
| Oxalato de gadolínio(III) hidratado | Gd2(C2O4)3·xH2O | Pouco solúvel em água; a solubilidade depende da acidez e da concentração de oxalato. | Relevante para a precipitação e a recuperação; é necessário medir o gadolínio dissolvido residual. |
| Fosfato de gadolínio(III) | GdPO4, também em formas hidratadas | Solubilidade muito baixa em água. | A formação de um sólido pode transferir o gadolínio para as lamas sem destruir o elemento. |
| Fluoreto de gadolínio(III) | GdF3 | Pouco solúvel em água. | Tanto o fluoreto como o gadolínio devem ser considerados no tratamento e na gestão dos resíduos. |
Os sais dissolvidos são diferentes dos quelatos de gadolínio
Nestes sais, o gadolínio é predominantemente trivalente, Gd(III). Após a dissolução, a sua distribuição entre iões hidratados, complexos e sólidos depende da composição da água. O nome do sal inicialmente adicionado não descreve todas as espécies presentes posteriormente.
Os agentes de contraste à base de gadolínio utilizados em ressonância magnética ligam o gadolínio a ligandos orgânicos. Estes quelatos podem permanecer dissolvidos e comportar-se de forma diferente do Gd(III) não complexado. Por isso, um processo testado com cloreto de gadolínio não demonstra uma remoção equivalente de um agente de contraste intacto. A investigação em águas residuais demonstrou a remoção incompleta do gadolínio proveniente de agentes de contraste e a importância de análises específicas para cada composto.
Remoção do gadolínio da água
Separação de sólidos e precipitação
A sedimentação e a filtração podem separar partículas que contêm gadolínio; por si só, não demonstram a remoção das espécies dissolvidas. Quando as condições químicas permitem formar um sal pouco solúvel, a precipitação seguida da separação de sólidos pode transferir o gadolínio para um sólido recuperável ou destinado à eliminação. Os estudos sobre oxalato e fosfato de gadolínio ilustram esta química, mas nenhum deles estabelece um pH operacional ou uma dose universal para águas residuais.
Analise a água em questão quanto ao gadolínio dissolvido residual e ao gadolínio total, ao consumo de reagentes, à separação de sólidos e à possível redissolução. Uma complexação forte pode impedir o comportamento esperado de uma solução salina simples. A adição de um agente precipitante também altera a água tratada e gera um resíduo que exige gestão.
Adsorção e permuta iónica
A adsorção e a permuta iónica podem ser estudadas para o gadolínio dissolvido. Selecione os meios de tratamento em função das espécies presentes: uma espécie de Gd(III) com carga positiva e um quelato neutro ou com carga negativa não se ligam necessariamente ao mesmo meio. Os iões concorrentes, a matéria orgânica, a capacidade, o ponto de ruptura e a regeneração determinam o desempenho na prática. A investigação recente sobre a captura de gadolínio de origem médica destaca a necessidade de testar quelatos específicos e condições realistas de competição entre iões.
Para avaliar um processo, são úteis dados sobre o caudal, o pH, a temperatura, o gadolínio total e dissolvido, os principais iões, a matéria orgânica e quaisquer agentes de contraste ou outros ligandos conhecidos. Os resultados laboratoriais e dos ensaios-piloto devem determinar a concentração alcançável no efluente e a composição dos meios de tratamento usados, da solução regenerante ou das lamas.
Concentração: mg/L expressos como Gd versus mg/L de sal
A concentração de gadolínio elementar e a concentração de sal são grandezas diferentes. Utilizando uma massa atómica do gadolínio de 157,25 g/mol:
mg/L expressos como Gd = mg/L de sal × (número de átomos de Gd por unidade de fórmula × 157,25) / massa molar do sal.
| Sal puro pesado | Massa molar aproximada | Gadolínio proveniente de 100 mg/L de sal |
|---|---|---|
| Anidro: 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 |
Estes exemplos pressupõem o hidrato puro indicado e a dissolução completa. Corrija os cálculos tendo em conta o teor do produto, a humidade e qualquer fração não dissolvida. Uma concentração de 1 mmol/L de gadolínio corresponde a 157,25 mg/L como Gd. A análise do gadolínio total não identifica qual o sal ou quelato que lhe deu origem.
Concentração e recuperação do gadolínio
A remoção da corrente principal de água e a recuperação sob a forma de um produto útil são objetivos distintos. Um sólido capturado ou uma solução de regeneração podem conter outros elementos de terras raras e contaminantes. A concentração, por si só, não estabelece a pureza nem o valor comercial do produto.
Para ilustrar um balanço de massa, 1 m3 de água com 10 mg/L como Gd contém 10 g de gadolínio. A captura de 90% dessa massa num volume final de líquido de 10 L resultaria em 900 mg/L como Gd, um fator de concentração de 90. Trata-se de um cálculo, não de um rendimento de tratamento esperado. Ao avaliar um processo real, considere todas as correntes de saída, os sólidos residuais e as perdas.
Fontes
- ProChem: cloreto de gadolínio hexa-hidratado, nitrato de gadolínio e fluoreto de gadolínio.
- Thermo Scientific Chemicals: sulfato de gadolínio octa-hidratado.
- American Elements: compostos de gadolínio e hidrato de carbonato.
- Savannah River National Laboratory: Solubilidade do gadolínio em função do HNO3 e do oxalato.
- Síntese e caracterização de um absorvedor de neutrões de fosfato de gadolínio.
- Especiação e análise por diluição isotópica de agentes de contraste à base de gadolínio em águas residuais.
- Estratégia sustentável para impedir a entrada de gadolínio de origem médica em águas superficiais.
- Royal Society of Chemistry: dados atómicos do gadolínio.