Российские ученые получили высокоэффективные сорбенты из отходов обогащения титановых руд
Коллектив российских исследователей из Кольского научного центра РАН, Института геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкарского государственного университета и ИФХЭ РАН разработал технологию получения высокоэффективных титаносиликатных сорбентов из отходов обогащения титановых руд. Для этого ученые воспроизвели эволюцию образования минералов Хибинского массива. Полученный 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. Существующие фильтры в сильносоленой среде быстро насыщаются безвредными солями и перестают улавливать радиоактивные изотопы. Перед учеными стояла задача — создать сорбент, который в присутствии большого количества солей будет «выбирать» из раствора только опасные изотопы.
В качестве исходного «строительного материала» авторы взяли гидратный осадок — побочный продукт переработки кварц-лейкоксеновых руд (смесь оксидов титана и кремния). Этот порошок поместили в стальной автоклав, залили щелочными растворами и нагрели до 250 °C.
Меняя состав 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 остается в растворе и просто вымывается из сорбента, не мешая очистке.
Как отмечают авторы работы, 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. После насыщения радиацией материал можно обжечь: он превратится в сверхпрочную керамику, которая надежно «запечатает радиацию» внутри своей решетки на тысячи лет, не позволяя ей просочиться в почву.
Работа выполнена при финансовой поддержки Минобрнауки России в рамках государственного задания.