КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 14-13-01279

НазваниеСорбция техногенных радионуклидов на перспективных наноматериалах

РуководительКалмыков Степан Николаевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2017 г. - 2018 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-204 - Радиохимия

Ключевые словасорбция, радионуклиды, наноматериалы, физико-химические формы

Код ГРНТИ31.15.23

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одной из важнейших задач, которые стоят перед многими странами мира, является разработка и совершенствование методов выделения радионуклидов из водных растворов различного состава. С этой проблемой сталкиваются при переработке жидких радиоактивных отходов (ЖРО) в атомной промышленности, при обращении c водными растворами, содержащими радионуклиды в результате технологических операций (так называемые TENORM – technologically enhanced naturally occurring radioactive materials), а также при реабилитации загрязнённых в результате чрезвычайных ситуаций территорий. Одними из технологичных методов обращения с водными растворами, содержащими радионуклиды, являются сорбционные методы, позволяющие выделять либо разделять необходимые компоненты раствора. Целью проекта является разработка научных основ технологий применения различных наноматериалов, для эффективного извлечения долгоживущих радионуклидов из водных растворов различного состава. В ходе работы будут использованы новые и передовые наработки в области нанотехнологий для решения проблемы очистки загрязненных радионуклидами водных растворов. Задачами проекта являются: фундаментальные исследования, направленные на получение данных о закономерностях сорбции и изменениях физико-химических форм; прикладные исследования, направленные на получение необходимых данных (кинетика сорбции, константы равновесия, коэффициенты распределения, сорбционная емкость и пр.) по сорбции ряда радионуклидов (продукты деления Sr-90 и Cs-137, а также изотопы трансурановых элементов Np-237, Pu-239,Am-241 и другие) из растворов различного состава и технологическая часть, которая будет включать создание и испытание прототипов устройств для очистки загрязненных растворов от радионуклидов. В рамках данного проекта будут изучены различные наноматериалы, которые, согласно предварительным данным, способны эффективно сорбировать различные радионуклиды, в том числе: оксид графена и его производные, в том числе гидрофобные и гидрофильные мембраны на его основе; фосфаты и гидрофосфаты РЗЭ, способные сорбировать радионуклиды и быть в дальнейшем матрицей для их долговременного хранения; оксиды титана, обладающие наряду с развитой поверхностью и высокой химической стойкостью, фотокаталитическими свойствами, оказывающими влияние на сорбцию редокс-активных радионуклидов; слоистые титанаты, обладающие свойством надежно изолировать сорбированные катионы. В рамках данного проекта будут проведены исследования механизмов извлечения различных радионуклидов, в том числе продуктов деления – Sr-90, Cs-137, Tc-99, актинидов – изотопов U, Np, Pu, Am, Cm и природных радионуклидов, обладающих высокой радиотоксичностью - изотопов Ra, Po-210. Отдельно будет рассмотрена задача по выделению трития в составе воды с использованием изотопных эффектов при диффузии в мембранах на основе графена.

Ожидаемые результаты
Разработанный план выполнения проекта позволит получить новые экспериментальные данные, которые необходимы для разработки эффективных методов извлечения долгоживущих радионуклидов из водных растворов различного состава. Эти данные необходимы для разработки методов обращения с ЖРО различного состава, а также технологии водоочистки в целях реабилитации ранее загрязненных радионуклидами территорий. В результате выполнения проекта будут получены данные о механизмах взаимодействия радионуклидов с исследуемыми наноматериалами, о кинетики и обратимости сорбции. Это позволит заполнить недостающие пробелы в фундаментальных знаниях и разработать практические подходы к созданию технологий очистки водных объектов от радионуклидов. Результаты, которые предполагается получить при выполнении проекта, будут иметь как важное фундаментальное значение (закономерности поведения радионуклидов и трансформации их физико-химических форм на границе раздела фаз и в нанопоровом пространстве), но также важнейшее практическое применение для нужд различных организаций, в том числе ГК «Росатом». Результаты данных экспериментов вызвали большой интерес и рассматривается возможность использования таких материалов, как оксид графена для выделения следовых количеств Am(III) из слабокислых ЖРО, содержащих продукты деления и поступающих на остекловывание. Данная задача имеет огромное социально-экономическое значение, так как связана с уменьшением объемов РАО, а это в свою очередь делает ядерную энергетику более конкурентоспособной и уменьшает потенциальное негативное воздействие на окружающую среду и человека.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Было проведено исследование транспорта катионов через мембраны, состоящие из графена и/или оксида графена за счет осмотического давления. Был показано, что скорость транспорт трития через различные мембраны зависит от их типа. Уран же в таких же условиях не проходил через все исследуемые мембраны. Было показано, что для Am(III) характерно медленное выщелачивание с поверхности ортофосфатов РЗЭ после сорбции. При определённых условиях выщелачивания Am(III) может сопровождаться образованием новой фазы, что улучшает характеристики ортофосфатах РЗЭ при возможном их использовании в качестве «матрицы для долговременного захоронения» после сорбции. При отжиге образца после сорбции при 400°С в течение 5 часов сорбированный катион входит в структуру сорбата, что позволяет снизить последующее выщелачивание. Был предложен оригинальный метод извлечения и связывания Th(IV) и других радионуклидов путем in situ формирования сорбента на основе волокнистого гидроортофосфата церия(IV) непосредственно в жидких средах, содержащих радиоактивные отходы, при добавлении к ним церийсодержащего фосфорнокислого раствора. Наибольшую степень извлечения предложенным методом зафиксировали для тория. Были исследованы сорбционные свойства наноструктурных Н-титанатов с различной морфологией: нанотрубки короткие и длинные, наностержни короткие и длинные, нанолисты. В результате проведенных исследований было показано, что структура нанотитанатов практически не оказывает влияния на их сорбционные свойства. Основным фактором, влияющим на эффективность извлечения металла, является удельная площадь поверхности доступная для контакта с раствором.

 

Публикации

1. А.Ю. Романчук, Н.Н, Грачева, К.И. Брюханова, И.Ф.Серегина, А.Л. Тригуб, К.С. Гавричев, С.Н. Калмыков Sorption behavior and physicochemical form of Am(III) on orthophosphate of rare-earth elements Mendeleev communications, - (год публикации - 2018)

2. А.Ю. Романчук, Т.О. Шекунова, В.Г. Петров, А.Е. Баранчиков, О.С. Иванова, Х.Э. Ёров, В.К. Иванов, С.Н. Калмыков Новый метод извлечения и связывания Th(IV) и других радионуклидов путем in situ формирования сорбента на основе волокнистого гидроортофосфата церия(IV) в жидких средах Радиохимия, 2018, V.5 (год публикации - 2018)

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
При проведении работ на данном этапе был исследован транспорт радионуклидов (T, U(VI), Am(III), Cs(I)) через мембраны на основе ОГ, синтезированных LIG-методом. Было установлено, что на транспорт трития через исследуемые мембраны не влияло не значение рН раствора, не тип смачиваемости поверхности. Транспорт U(VI) через мембрану невозможен при значениях рН, при которых сорбция на мембране достигает значительных количеств. Смачиваемость поверхности оказывает значительное влияние на транспорт U(VI), Am(III) и Cs(I). На данном этапе был подробно исследован механизм взаимодействия радионуклидов с ОГ. Было проведено сравнение сорбционных свойств образцов ОГ, синтезированных различными методами. Были выбраны классические методы синтеза: метод Броди (BGO), метод Хамерса (HGO) и его модификация метод Тура (TGO). В результате сорбционных экспериментов было установлено, что сорбция на HGO и TGO значительно выше, чем в аналогичных условиях на BGO. Для более детального установления процессов, образцы с синтезированными радионуклидами были охарактеризованы методами РФЭС, ИК-спектрометрии, спектроскопии рентгеновского поглощения (XANES и EXAFS) и ПЭМВР. Также была проведена оптимизация геометрии потенциальных физико-химических форм радионуклидов на поверхности ОГ. Было установлено, что актиниды (U(VI) и Am(III)/Eu(III)) преимущественно связываются с карбоксильными группа. При этом доминирует не краевой связывание радионуклидов, а связывание их в дефектах и дырках на плоскости листа ОГ. Полученные результаты крайне важны для понимания процессов, происходящих при сорбции радионуклидов на поверхности ОГ, в том числе для моделирования происходящих процессов и создания сорбентов с максимальными показателями сорбции. В ходе работы были установлены закономерности сорбции радионуклидов Sr(II), Am(III), Th(IV), Np(V), U(VI) на поверхности кристаллического гидроортофосфата церия(IV) состава Ce(PO4)(HPO4)0.5(H2O)0.5. Показано, что близкая к количественной сорбция Sr(II), Np(V) происходит из водных растворов при рН > 7, Am(III), U(VI) при рН > 5, а Th(IV) при рН > 2. Выщелачивание радионуклидов с поверхности сорбента в кислой среде указывает на обратимость сорбции. При исследовании сорбции радионуклидов на образцах H-титанатов было показано, что европий может не только образовывать внешнесферные комплексы с поверхностными группами Ti-OH (как в случае крупнокристаллического диоксида титана и образцов NS), но встраиваться в межплоскостное пространство наноразмерных слоистых титанатов. При этом не происходит изменения морфологии и размеров исследованных сорбентов.

 

Публикации

1. A. Кузенкова, А. Романчук, А. Тригуб, К.Маслаков, А. Егоров, Л. Амидани, К. Катрел, К. Квашнина, Д. Тур, А. Талызин, С. Калмыков New insights into the mechanism of graphene oxide and radionuclide interaction Carbon, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.10.003

2. А.А. Ширяев, А.Г. Волкова, Е.В. Захарова, М.С. Никольский, А.А. Аверин, Е.А. Долгополова, В.О. Япаскурт Radionuclides in Irradiated Graphite of Industrial Uranium– Graphite Reactors: Effect of Irradiation and Thermochemical Treatment on the Graphite Structure RADIOCHEMISTRY, Vol. 60, No. 6, pp. 664–671 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S1066362218060164

3. А.А. Ширяев, Дж.А. Хинкс, Н.А. Маркс, Г. Грейвс, Ф. Валенсия, С.Е. Донелли, Р. Гонзалес, М. Киви, А. Тригуб, И. Бринга, Дж. Фог, И. Власов Ion implantation in nanodiamonds: size efect and energy dependence SCIENTIFIC REPORTS, Volume 8, Issue 1, Номер статьи 5099 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1038/s41598-018-23434-y

4. А.Ю. Романчук, Т.О. Шекунова, А.И. Ларина, О.С. Иванова, А.Е. Баранчиков, В.К. Иванов, С.Н. Калмыков Сорбция радионуклидов на гидроортофосфате церия(IV) Ce(PO4)(HPO4)0.5(H2O)0.5 RADIOCHEMISTRY, - (год публикации - 2019)

5. В.Г. Петров, З. Чен, А.Ю. Романчук, В.О. Демина, У. Танг, С.Н. Калмыков Sorption of Eu(III) onto nano-sized H-titanates of different structure Applied Sciences, - (год публикации - 2019)

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты имеют как важное фундаментальное значение (закономерности поведения радионуклидов и трансформации их физико-химических форм на границе раздела фаз и в нанопоровом пространстве), но также важнейшее практическое применение для нужд различных организаций, в том числе ГК «Росатом». Результаты данных экспериментов позволяет подобрать или усовершенствовать методы сорбционного разделения/выделения радионуклидов для нужд предприятий по водоочистке, переработке радиоактивных отходов и прочее. В ходе выполнения работ по проекту был создан научный задел по применения углеродных наноматериалов и изделий на его основе для выделения различных радионуклидов их отходов с разным химическим составом. Был также создан научный задел по работе с различными формами фосфатных материалов. Интерес к этим материалам связан с возможность перевода отработавшего сорбента в форму матрицы для долговременного хранения радионуклидов. В ходе выполнения работ, были показаны возможные границы применения данных материалов, а также установлены фундаментальные закономерности.