Современная промышленность все активнее сталкивается с проблемой жидких радиоактивных отходов — прежде всего содержащих изотопы цезия, одного из наиболее опасных продуктов ядерных технологий. Надёжный сорбент с высокой селективностью, способный извлекать именно Cs⁺, сегодня имеет огромное значение для экологической безопасности. И неожиданным кандидатом на эту роль оказался редчайший минерал Кольского региона — армбрустерит.

Интерес к нему резко вырос после публикации в международном журнале Molecules статьи, в которой исследователи лаборатории природоподобных технологий и техносферной безопасности Арктики, а также лаборатории синтеза и исследования минералоподобных функциональных материалов, Геологического института и Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН (Апатиты) наглядно показали — природа уже создала почти идеальный материал для захвата цезия, и нужно лишь научиться воспроизводить его искусственно.

Впервые минерал был обнаружен в 2005 году в пегматите на горе Кукисвумчорр в Хибинах. Геологи Кольского научного центра РАН назвали его в честь швейцарского кристаллографа Томаса Армбрустера за его выдающийся вклад в структурную минералогию и кристаллографию, особенно за изучение богатых марганцем минералов. Химическая формула армбрустерита — K₅Na₆Mn³⁺Mn²⁺₁₄[Si₉O₂₂]₄(OH)₁₀ ∙ 4H₂O. Его кристаллическая структура состоит из гетерополиэдрических пакетов, включающих два тетраэдрических слоя кремнекислородных групп [Si₉O₂₂]⁸⁻, промежуточный слой октаэдров MnO₆ и NaO₆, внекаркасные катионы K⁺ и молекулы воды, расположенные в двумерной сети каналов.

Именно в структуре и скрыт секрет армбрустерита. Это сложный слоистый силикат с разветвлённой системой каналов, где в природном состоянии располагаются ионы калия. Но именно эта, на первый взгляд, обычная деталь превращается в фундаментальное преимущество: в водных растворах калий почти полностью уступает свое место Cs⁺. Причём избирательность настолько высока, что даже в присутствии других катионов структура «предпочитает» выбирать именно цезий. Каркас при этом остаётся неизменным, что особенно важно для потенциального промышленного применения.

В статье подчёркивается, что даже мягкая кислотная обработка, имитирующая реальные условия сточных вод, не разрушает минерал, а наоборот, помогает освободить каналы, делая их готовыми для замещения.

Проблема лишь в том, что объёмы природного армбрустерита настолько малы, что о промышленном применении говорить невозможно. Однако сотрудники Кольского научного центра РАН уже не в первый раз доказывают, что зная структуру минерала, можно создать его синтетический аналог с необходимыми спойствами. Образец для эксперимента взяли из личной коллекции сотрудника Геологического института КНЦ РАН Виктора Нестеровича Яковенчука. Учёные поставили перед собой цель оценить сорбционные свойства природного армбрустерита по отношению к одновалентным и двухвалентным катионам и попытаться синтезировать его искусственный аналог.

Образец минерала обработали разбавленными растворами соляной и азотной кислоты, чтобы удалить внекаркасные катионы и получить протонированную форму минерала. Затем этот материал подвергли воздействию растворов хлоридов цезия, рубидия, стронция, меди и кадмия, чтобы оценить его селективность к одновалентным катионам. Параллельно проводился гидротермальный синтез в автоклавах. Чистый армбрустерит получить пока не удалось, но были синтезированы другие марганцево-силикатные фазы: бернессит, серандит, мангани-эккерманнит, а в одном случае — смесь серандита и армбрустерита.

Эксперимент показал, что синтез армбрустерита возможен, но требует точной настройки условий (температура, время, соотношение реагентов). Система Na–Mn–K–Si способна формировать более сложные силикатные структуры при относительно мягких условиях. Сейчас исследователи собираются продолжить опыты по синтезу, оптимизируя его условия. Как только удастся синтезировать фазу, близкую к природному армбрустериту, её протестируют на селективность к одновалентным катионам цезия и рубидия, особенно в условиях, имитирующих реальные промышленные стоки (кислая среда, наличие конкурирующих ионов и так далее). В планах — разработка на основе армбрустерита или его аналога нового селективного сорбента для очистки радиоактивных отходов.

Таким образом, дальнейшие исследования направлены на переход от фундаментального изучения к прикладной разработке — от поиска условий синтеза к созданию эффективного, устойчивого и масштабируемого сорбента для экологически значимых задач. На фоне мирового поиска эффективных сорбентов для извлечения цезия открытие приобретает особую значимость. Современные материалы сложны, дороги и не всегда устойчивы, амбрустерит же демонстрирует пример того, как природная архитектура способна решить задачу, над которой десятилетиями работали химики.

Работа была поддержана проектом РНФ: 24-23-00374.

Источник: пресс-служба Минобрнауки России.