Модель эволюция образования минералов хибинского массива поможет создать сорбент для очистки жидких радиоактивных отходов
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 солёностью. Результаты исследования опубликованы в Chemical Engineering Journal.
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.
Сотрудники 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» мисследователи 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, специалисты запустили управляемую эволюцию кристаллической решетки. На первом этапе, используя только гидроксид натрия, они вырастили ситинакит — минерал с относительно простой структурой, часть каналов кристаллической решётки которого слишком узка для свободного перемещения крупных атомов.
На следующей стадии в раствор добавили гидроксид калия. Ионы калия встроились в решётку и изменили среду так, что в каркасе вещества появился дополнительный кремнекислородный тетраэдр. Так ситинакит превратился в иванюкит.
В результате этой трансформации вещество обрело трёхмерную систему туннелей, образованных восьмичленными кольцами диаметром 3,5 Å. Крупные ионы цезия свободно заходят в эти просторные каналы и надёжно 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 солёность 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.
Эпитаксиальный рост на ситинаките (1) кристаллов иванюкита-Na-R (2) в ассоциации с натролитом (3), эгирином (4), виноградовитом (5), лукаситом-(Се) (6) и сазыкинаитом-(Y) (7)
Как отмечают авторы работы, суть разработанного подхода заключается в управляемой эволюции вещества. Исследователи 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 надёжно запечатает радиацию внутри своей решётки 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).
Источник: пресс-служба Минобрнауки России.
