Коллектив российских исследователей разработал технологию получения высокоэффективных титаносиликатных сорбентов из отходов обогащения титановых руд. Материал избирательно извлекает радиоактивные цезий-137 и стронций-90 из жидких радиоактивных отходов, включая среды с высокой соленостью.
Переработка жидких радиоактивных отходов атомной промышленности – сложная задача. Главную опасность представляют изотопы цезия и стронция. Существующие фильтры в сильносоленой среде быстро «слепнут»: они насыщаются безвредными солями и перестают улавливать радиацию. Нужен «умный» материал, который в присутствии огромного количества обычной соли будет выбирать из раствора только опасные изотопы.
Ученые Института геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкарского государственного университета, Лаборатории природоподобных технологий и экологической безопасности Арктики и Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра, а также Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН заставили минералоподобное вещество «эволюционировать», воспроизведя естественные геохимические процессы в лабораторных условиях. В качестве исходного «строительного материала» ученые взяли гидратный осадок – побочный продукт переработки кварц-лейкоксеновых руд (грубо говоря, смесь оксидов титана и кремния). Этот порошок поместили в стальной автоклав, залили щелочными растворами и нагрели до 250 °C.
Меняя состав этой щелочной «ванны»-минерализатора, исследователи запустили управляемую эволюцию кристаллической решетки. На первом этапе, используя только гидроксид натрия, они вырастили ситинакит – минерал с относительно простой структурой, часть каналов кристаллической решетки которого слишком узка для свободного перемещения крупных атомов.
На следующей стадии в раствор добавили гидроксид калия. Ионы калия встроились в решетку и изменили среду так, что в каркасе вещества появился дополнительный кремнекислородный тетраэдр. Так ситинакит превратился в иванюкит.
В результате этой трансформации вещество обрело трехмерную систему туннелей, образованных восьмичленными кольцами диаметром 3,5 Å. Крупные ионы цезия свободно заходят в эти просторные каналы и надежно там закрепляются, а ионы фонового натрия не могут удержаться и вымываются. Помогает этому и так называемый «первичный солевой эффект». И сорбент, и ионы цезия заряжены положительно, поэтому по законам физики должны отталкиваться. Однако, чем выше соленость воды, тем больше в ней посторонних ионов. Эти ионы работают как защитный щит: они экранируют электрические заряды и гасят силу отталкивания. Благодаря этому «щиту» крупный цезий может приблизиться к входу в канал на расстояние, где вступают в действие химические силы притяжения, и массово проникать внутрь. Более мелкий натрий, чья водная оболочка органично встраивается в структуру самой воды, предпочитает оставаться в растворе и просто вымывается из сорбента, совершенно не мешая очистке.
Как отмечают авторы работы, суть разработанного подхода заключается в управляемой эволюции вещества. Ученые фактически сжали миллионы лет природных трансформаций в несколько часов лабораторного синтеза. По своим сорбционным характеристикам полученные титаносиликаты не уступают лучшим мировым аналогам. При этом технология обладает значительным экономическим и экологическим преимуществом: в качестве сырья используются промышленные отходы, что позволяет замкнуть производственный цикл и создать высокотехнологичный продукт из ранее невостребованного материала.
Коэффициент распределения (показатель эффективности захвата) для новых сорбентов достигает 104 см³/г даже в модельной морской воде. После насыщения радиацией материал можно обжечь: он превратится в сверхпрочную керамику типа Synroc, которая надежно запечатает радиацию внутри своей решетки на тысячи лет, не позволяя ей просочиться в почву.
Первый автор исследования, научный сотрудник лаборатории минерально-сырьевых ресурсов Института геологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, кандидат геолого-минералогических наук Игорь Перовский отмечает:
Синтез титаносиликатов из вторичного минерального сырья открывает новые перспективы для освоения Ярегского месторождения и укрепления промышленного потенциала Российской Федерации.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания (№ 122040600011-5 и № 1023032200158-7).
Результаты исследования опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal.
Изображение: Кольский научный центр РАН
Источник: Минобрнауки России
