Ученые Дальневосточного федерального университета совместно с коллегами из Кольского научного центра РАН и Санкт-Петербургского государственного университета разработали технологию переработки материалов, которые используются для очистки воды от радиоактивных веществ. Насыщенный радионуклидами сорбент исследователи предложили превращать в прочную керамику, способную надежно удерживать опасные элементы и препятствовать их попаданию в окружающую среду.
При очистке жидких радиоактивных отходов от таких опасных веществ, как цезий-137 и стронций-90, используют специальные сорбенты. Их можно представить как материалы, которые «захватывают» ненужные вещества из воды. После очистки сорбент оказывается насыщен радионуклидами и сам становится радиоактивным отходом. Поэтому ученым необходимо не только удалить опасные вещества из воды, но и найти способ надежно зафиксировать их после этого.
Исследователи предложили объединить эти два этапа. Сначала сорбент извлекает радионуклиды из воды, а затем его превращают в плотный керамический материал. При этом цезий и стронций оказываются внутри кристаллической структуры керамики и не должны легко переходить из нее в воду.
Основой для исследования стал искусственный аналог природного минерала иванюкита — натриевого титаносиликата. Его синтезировали специалисты Кольского научного центра РАН. Благодаря своей кристаллической структуре этот материал способен эффективно захватывать из воды ионы цезия и стронция.
Разработанная сотрудниками ФИЦ КНЦ КНЦ методика синтеза аналога данного минерала позволяет получать его на основе доступного минерального сырья Мурманской области, что открывает возможности для развития его производства совместно с горно-рудными предприятиями региона, - комментирует один из авторов исследования, к.г.-м.н. Виктор Яковенчук.
В ходе экспериментов сорбент показал высокую способность поглощать эти элементы: на один грамм материала приходилось до 176,4 мг цезия и 192,6 мг стронция.
Ключевую часть работы (перевод сорбента в керамику) выполнили специалисты ДВФУ. В университете насыщенный радионуклидами сорбент превращали в керамику с помощью искрового плазменного спекания. Если объяснять принцип простыми словами, порошок помещают в специальную форму, одновременно нагревают и сжимают. Под воздействием высокой температуры и давления частицы материала соединяются между собой и образуют плотный прочный блок.
Исследователи получили образцы при температурах 600 и 1000 °C, после чего проверили, насколько хорошо керамика удерживает радиоактивные элементы. Для этого образцы в течение 30 дней выдерживали в воде и регулярно анализировали ее состав. Ученые отслеживали, сколько цезия и стронция покидает керамику и переходит в воду.
После 14 дней испытаний скорость выхода этих элементов в воду стабилизировалась на очень низком уровне — 10⁻⁷–10⁻⁸ г/(см²·сут), причем в дальнейшем она не увеличивалась. Это говорит о высокой устойчивости полученного материала к воздействию воды и о надежной фиксации радионуклидов внутри керамики, - комментирует один из авторов исследования к.х.н., научный сотрудник лаборатории ядерных технологий ДВФУ Олег Шичалин.
Кроме того, ученые проверили механическую прочность материала. Для этого измеряли его микротвердость — то есть насколько хорошо поверхность керамики сопротивляется небольшому вдавливанию. Цезийсодержащий образец оказался тверже исходного материала, из которого изготавливали сорбент.
Ученые Санкт-Петербургского государственного университета исследовали, что происходит с материалом во время нагревания. Для этого они изучали его состав и структуру с помощью рентгеновского анализа и электронной микроскопии.Кроме того подобные матрицы представляют собой отдельный интерес для дальнейшего развития работы в рамках проекта РНФ 24-63-00006 «Радиационно-безопасный двухконтурный генератор радионуклидов для ядерной медицины: новые методы, материалы, конструкции (рук. д.х.н. Смирнов И.В.)»
Исследование показало, что при нагревании исходный сорбент постепенно меняется и образует новые минералоподобные соединения. При температуре 1000 °C в цезийсодержащей керамике формируются, в частности, рутил и голландит. Голландит особенно интересен для этой задачи, поскольку его кристаллическая структура способна удерживать крупные атомы и ионы.
В стронцийсодержащей керамике образуется несколько других устойчивых соединений, в том числе перовскит и таусонит (SrTiO₃). Такие материалы рассматриваются в качестве основы для фиксации стронция, поскольку способны удерживать его внутри своей кристаллической структуры.
Таким образом, ученые смогли проследить весь путь материала: сначала за основу была взята кристалличская структура природного минерала иванюкита, создан его синетический аналог, установлено как сорбент извлекает радионуклиды из воды, и какие превращения с ним происходят под воздействием температуры и давления при переходе в плотную керамику, устновлена способность керамики надежно удерживать опасные элементы.
Работа стала первым успешным примером консолидации иванюкита методом искрового плазменного спекания. Полученные результаты показывают принципиальную возможность превращать отработанный сорбент не в еще одну форму отходов, которую необходимо дополнительно перерабатывать, а в компактный и устойчивый керамический материал для долговременной фиксации радионуклидов.
Разработка может быть востребована в задачах, связанных с очисткой воды от радиоактивных веществ и дальнейшим обращением с полученными отходами. В перспективе такой подход может применяться для целей экологии (при переработке отходов радиохимических производств, ликвидации последствий радиационных аварий и реабилитации загрязненных территорий) и медицинской радиохимии (создание керамических мембран для радионуклидных генераторов.
Результаты работы опубликованы в Journal of the European Ceramic Society — международном научном журнале, посвященном исследованиям в области керамических материалов.
Источник: Минобрнауки России
Изображение на обложке: разработано Magnific
