Российские ученые получили высокоэффективные сорбенты из отходов обогащения титановых руд
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.