Химия и химические технологии/ 9. Радиохимия

К.х.н. Попова Н.Н., к.х.н. Быков Г.Л., член-корр. Тананаев И.Г.,

член-корр. Ершов Б.Г.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина

Российской Академии наук, Россия

Извлечение радионуклидов из природных и техногенных растворов с использованием наноразмерных углеродных сорбентов

В ходе переработки отработавшего ядерного топлива образуются радиоактивные отходы различного уровня активности и химического состава. В них содержатся долгоживущие как b/γ излучатели (⁹⁹Тс, ¹²⁹I, ¹³⁵Cs, ¹³⁷Сs, ⁹⁰Sr), так и a-эмиттеры – трансурановые элементы. Для очистки техногенных отходов, а также для концентрирования, выделения и разделения радионуклидов широко используются сорбционные методы [1], при этом применяются различные органические и неорганические сорбенты [2]. В последнее время для извлечения радионуклидов все больше используются модифицированные природные материалы и технологические продукты [3-5]. В данной работе проведены исследования сорбционных свойств модифицированных углей, древесины и некоторых других углеродных материалов в отношении радионуклидов U(VI), Th(IV), Am(III) и Тс(VII). Изучены основные физико-химические свойства указанных материалов.

В качестве объектов исследования были взяты: окисленный уголь, полученный при мягком окислении карбонизата древесины кислородом воздуха; модифицированная древесина (осиновые опилки); модифицированный активированный уголь ФАС-Э, и углеродный наноразмерный материал «Таунит».

Эксперименты показали, что окисленный уголь при комнатной температуре извлекает из 2М HNO₃ Am(III), Th(IV), Pu(IV) и U(VI) с К_р равными 610, 2130, 1800 и 410 см³/г, соответственно. Этот факт можно объяснить образованием на поверхности угля участвующих в анионном обмене карбонильных и карбоксильных групп при обработке на воздухе.

Ионы Tc(VII) плохо сорбируются как на карбонизате, так и на окисленном угле из 10^-3 М HNO₃ при V/m=200 см³/г (коэффициент распределения К_p составляет соответственно 6 см³/г и 9 см³/г). Связано это с тем, что окисленный уголь является катионообменником, а ионы технеция существуют в растворе в виде аниона TcO₄^-.

Для улучшения сорбционных свойств в отношении Тс(VII) углеродные материалы были модифицированы обработкой фосфорной кислотой, мочевиной (тиомочевинной) и роданидом калия.

Рис. 1. Зависимость величин К_р Tc(VII) при сорбции на древесине, модифицированной фосфорной кислотой (1) и мочевиной (2) при 140^о С из водных растворов в зависимости от величин рН при 25 ^оС, Т:Ж = 200 см³/г;

[Tc(VII)]_o = 10^-5 М.

Было показано, что Tc(VII) хорошо сорбируется на фосфорилированной древесине (рис.1) из водных растворов в широком интервале рН от 2 до 10 с максимальным К_р = 75,9 см³/г (рН 9).

В ходе экспериментов было также обнаружено, что фосфорилированная древесина извлекает из 2М HNO₃ не только технеций, но и U(VI) с К_р, равным 1,9^.10⁴ см³/г при комнатной температуре.

Активированный уголь, полученный путём пиролиза фуриловой смолы ФАС-Э извлекает Тс(VII) из азотнокислых растворов при комнатной температуре с К_р = 9,0·10³ см³/г. Образцы ФАС-Э, модифицированного мочевиной и фосфорной кислотой, эффективно извлекают Тс из 10^-3М HNO₃ с K_р равным 2,4×10⁴ и 1,7^.10⁴ см³/г соответственно. Ионы U(VI) и Am(III) эти образцы практически не извлекают.

Для улучшения сорбционных свойств в отношении положительно заряженных ионов Am(III) наиболее эффективный сорбент ФАС-Э был подвергнут окислительной обработке, так как известно, что активные угли являются анионообменниками, а окисленные угли – катионообменниками. Из рисунка 2 видно, что окислительная обработка значительно улучшает сорбционную способность сорбента ФАС-Э.

Рисунок 2. Кинетика сорбции Am²⁴¹ на окисленном образце ФАС-Э (кривая 1) и исходном неокисленном (кривая 2) из 2 М HNO₃, V/m=200.

Таким образом, в работе выяснено, что при извлечении Тс(VII) из слабокислых растворов (10^-3 М HNO₃) эффективность сорбентов снижаются в следующей последовательности: ФАС-Э (K_р = 9,0·10³ см³/г) >> древесина (16,9 см³/г) > Таунит (12 см³/г) > окисленный уголь (9 см³/г) > уголь (2 см³/г).

Сорбционные свойства модифицированных образцов из растворов, моделирующих техногенно измененные грунтовые воды района озера Карачай уменьшаются в ряду: уголь+КСNS > древесина+мочевина > древесина+фосфорная кислота > уголь+тиомочевина. Кроме того, следует отметить, что присутствие посторонних примесей практически не препятствует извлечению целевого элемента технеция синтезированными нами модифицированными сорбентами на основе углеродных материалов.

Литература:

1. Мясоедова Г.В., Никашина В.А. Сорбционные материалы для извлечения радионуклидов из водных сред. // Рос. Хим. журн. 2006. Т. L. №5. С. 55-62.

2. Попова Н.Н., Тананаев И.Г., Ровный С.И., Мясоедов Б.Ф. Технеций: поведение в процессах переработки облученного ядерного топлива и в объектах окружающей среды. // Успехи химии. 2003. Т. 72. № 2. С. 115-136.

3. Полуэктов П.П. Основные направления работ по обращению с радиоактивными отходами в России. // Вопр. атом. науки и техн. Сер. Материаловед. и нов. матер. 2005. №2. C. 113-114.

4. Yamagish I., Kubata M. Separation of Technetium with Active Carbon // J. Nucl. Sci. Technol. 1989. V. 26. № 11. P. 1038-1044.

5. Попова Н.Н., Быков Г.Л., Петухова Г.А., Тананаев И.Г., Ершов Б.Г. Изучение физико-химических свойств модифицированных углеродных наноматериаллов, предназначенных для сорбционного извлечения радионуклидов. I. Влияние пористости углеродных наноматериалов на их сорбционные свойства по отношению к Тс(VII). // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2012. T. 48. № 6. C. 564–570.