Ph.D. topics

Wechselwirkung von metallorganischem Tc mit Metaboliten und Fe(II)-Mineralien

Caroline Börner

Dr. Natalia Mayordomo Herranz, Prof. Dr. Thorsten Stumpf (HZDR)

Surface processes

since 02/2024

Das Nuklid ⁹⁹Tc gehört zu den hochradioaktiven Abfällen aus Kernkraftwerken, da es ein Spaltprodukt von ²³⁵Uran und ²³⁹Plutonium ist.^[1] Für die Einlagerung dieser Abfälle in einem geologischen Tiefenlager ist ein Mehrfachbarrierensystem vorgesehen, um die Migration radioaktiver Elemente in die Biosphäre zu verhindern. Die Sicherheitsbewertung eines solchen Endlagers wird in Deutschland für eine Million Jahre durchgeführt. Im schlimmsten Fall könnte das Eindringen von Wasser die Integrität des Endlagers verändern und Radionuklide mobilisieren.^[2] Es ist notwendig, das chemische Verhalten des Radionuklidinventars, unter anderem ⁹⁹Tc, im Kontakt mit möglichen Barrieren im Endlager zu kennen, um Rückhalteprozesse zu verstehen und schließlich die Sicherheitsbewertung zu verbessern.

Darüber hinaus gelangen täglich Spuren von ⁹⁹Tc ins Abwasser, da es das Tochternuklid des metastabilen Isomers ^99mTc ist, das in der Nuklearmedizin als Kontrastmittel verwendet wird.^[3] Zu diesem Zweck werden Tc-Komplexe in niedrigen Oxidationsstufen verwendet, die durch komplexbildende Liganden stabilisiert werden.^[4] Ein Beispiel dafür ist [Tc^I(CO)₃(H₂O)₃]⁺, ein Vorläufer.

Die medizinischen Eigenschaften vieler Tc-Komplexe in niedrigen Oxidationsstufen sind aufgrund intensiver Studien auf diesem Gebiet bekannt^[4], aber das Wissen über ihr Verhalten in der Umwelt ist noch nicht bekannt. Trotz ihrer geringen Konzentration im nanomolaren Bereich sind die Auswirkungen dieser Komplexe auf die Umwelt nicht genau bekannt, und aus radioökologischer Sicht besteht die Möglichkeit einer Bioakkumulation und Akkumulation von ⁹⁹Tc in der menschlichen Nahrungskette^[5].

Die Studien, die sich mit der Sanierung von Tc befassen, konzentrieren sich auf die Reduktion des mobilen, oxidierten Pertechnetat-Anions (Tc_VIIO₄⁻) zu weniger löslichen Tc(IV)-Spezies, wie Tc^IVO₂.^[6] Es gibt jedoch keine Umweltstudien, die sich mit der Aufnahme von Tc-Komplexen in niedrigeren Oxidationsstufen durch Mineralien befassen.

Während der Arbeit wird die Wechselwirkung von metallorganischen Tc-Komplexen mit Eisen(II)-Mineralen in Gegenwart und Abwesenheit von Metaboliten untersucht. Die Hauptziele sind i) die Analyse der Entfernung von Tc durch ein Eisen(II)-Mineral unter verschiedenen Bedingungen, z. B. der Tc-Oxidationsstufe oder -konzentration, der Anwesenheit von Metaboliten oder des pH-Werts, und ii) die Untersuchung der Bildung löslicher Tc-Komplexe in niedrigeren Oxidationsstufen mit Metaboliten. Die Wechselwirkung zwischen Tc und Mineralien soll auf makroskopischer und molekularer Ebene untersucht werden. Daher sollen verschiedene Techniken zur Charakterisierung und Analyse der Tc-haltigen Feststoffe und Flüssigkeiten eingesetzt werden. Dazu gehören verschiedene spektroskopische und analytische Techniken, wie Kernspinresonanzspektroskopie, Infrarotspektroskopie, Raman-Mikroskopie, Flüssigszintillationszählung, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und Röntgenabsorptionsspektroskopie an der Rossendorf-Beamline der Europäischen Synchrotronstrahlungsanlage.

Die Doktorarbeit wird im Rahmen der NukSiFutur-Nachwuchsgruppe TecRad (02NUK072) entwickelt, die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird.

1. A. H. Meena et al., Environ. Chem. Lett. (2017), 15, 241–263.

2. Standortauswahlgesetz vom 5. Mai 2017 (BGBl. I S. 1074), das zuletzt durch Artikel 8 des Gesetzes vom 22. März 2023 (BGBl. 2023 I Nr. 88) geändert worden ist.

3. O. K. Hjelstuen, Analyst (1995), 120, 863–866.

4. R. Alberto & U. Abram, Handbook of Nuclear Chemistry, Springer, (2011).

5. R. Alberto et al. J. Am. Chem. Soc. (2001), 123, 3135–3136.

6. C. I. Pearce et al. Sci. Total Environ. (2020), 716, 132849.