Российские ученые разработали инновационную технологию, позволяющую создать высокоэффективные титаносиликатные сорбенты из отходов обогащения титановых руд. Эти материалы способны избирательно извлекать радиоактивные изотопы, такие как цезий-137 и стронций-90, из жидких радиоактивных отходов, включая среды с высокой соленостью. Подробности исследования опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal.
Переработка жидких радиоактивных отходов, образующихся в атомной промышленности, является сложной задачей. Наибольшую опасность представляют изотопы цезия и стронция. Существующие фильтры, работающие в условиях высокой солености, быстро «слепнут», поскольку насыщаются безвредными солями и теряют способность улавливать радиацию. Поэтому возникла необходимость в создании «умного» материала, который сможет выбирать из раствора только опасные изотопы, даже в присутствии значительных количеств обычной соли.
В исследовании, проведенном учеными Института геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкарского государственного университета, Лаборатории природоподобных технологий и экологической безопасности Арктики, Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра, а также Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, был воспроизведен естественный процесс эволюции минералов в лабораторных условиях. В качестве исходного «строительного материала» использовался гидратный осадок – побочный продукт переработки кварц-лейкоксеновых руд, представляющий собой смесь оксидов титана и кремния. Этот порошок был помещен в стальной автоклав, залит щелочными растворами и нагрет до 250 °C.
Изменяя состав этой щелочной "ванны"-минерализатора, исследователи запустили управляемую эволюцию кристаллической решетки. На первом этапе, используя только гидроксид натрия, они смогли вырастить ситинакит – минерал с относительно простой структурой, в которой некоторые каналы кристаллической решетки слишком узкие для перемещения крупных атомов.
На следующем этапе в раствор был добавлен гидроксид калия. Ионы калия встроились в решетку, изменив среду так, что в каркасе вещества появился дополнительный кремнекислородный тетраэдр. В результате ситинакит трансформировался в иванюкит.
Эта трансформация привела к образованию трехмерной системы туннелей, состоящих из восьмичленных колец диаметром 3,5 Å. Крупные ионы цезия свободно проникают в эти просторные каналы и надежно закрепляются, в то время как ионы натрия не могут удержаться и вымываются. Эффективность захвата цезия также усиливается благодаря первичному солевому эффекту: оба, и сорбент, и ионы цезия, имеют положительный заряд, что приводит к их отталкиванию. Однако чем выше соленость воды, тем больше в ней посторонних ионов, которые действуют как защитный щит, экранируя электрические заряды и уменьшая силу отталкивания. Это позволяет крупному цезию подходить близко к входу в канал до тех пор, пока не вступают в действие химические силы притяжения, что приводит к его массовому проникновению внутрь. Мелкий натрий, имеющий водную оболочку, предпочитает оставаться в растворе и просто вымывается из сорбента, не мешая процессу очистки.
Как подчеркивают авторы исследования, суть разработанного подхода заключается в управляемой эволюции вещества. Ученые фактически сжали миллионы лет природных трансформаций в несколько часов лабораторного синтеза. Полученные титаносиликаты по своим сорбционным характеристикам не уступают лучшим мировым аналогам. Кроме того, данная технология обладает значительными экономическими и экологическими преимуществами: в качестве сырья используются промышленные отходы, что позволяет замкнуть производственный цикл и создать высокотехнологичный продукт из ранее невостребованного материала.
Коэффициент распределения, который является показателем эффективности захвата, для новых сорбентов достигает 104 см³/г даже в модельной морской воде. После насыщения радиацией, материал можно обжечь, что приведет к его превращению в сверхпрочную керамику типа Synroc, способную надежно запечатать радиацию внутри своей решетки на тысячи лет, предотвращая ее просачивание 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 была выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания (№ 122040600011-5 и № 1023032200158-7).
Дополнительную информацию об этом исследовании можно найти на сайте КНЦ РАН.