СО РАН: новые композитные материалы помогут переработать радиоактивные отходы

Результаты исследования красноярских ученых опубликованы в журнале Chimica Techno Acta.

Красноярские ученые разработали способ получения композитных цирконий-анальцимовых сорбентов, способных связывать изотопы цезия и стронция. Сырьем для нового материала послужила угольная зола. Устойчивые к внешним воздействиям матрицы на основе таких сорбентов можно использовать для последующего захоронения радиоактивных отходов в минералоподобной форме.

Развитие атомной энергетики невозможно без разработки технологий переработки радиоактивных отходов. Один из широко распространенных способов удаления опасных соединений из растворов – использование неорганических ионообменных материалов. Такие материалы, по сути, осаждают на свою поверхность радионуклиды и переводят их из растворенной в твердую форму. Это уменьшает объем отходов и делает возможным их последующее захоронение. В перспективе композитные сорбенты должны связывать несколько химических элементов. Однако создание таких материалов связано с рядом сложностей.

Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» и Сибирского федерального университета разработали технологию синтеза мелкодисперсных цирконий-анальцимовых материалов, которые могут связывать из раствора одновременно изотопы цезия и стронция. Исходным сырьем для сорбента стали ценосферы, полученные из угольной золы. Исследователи определили оптимальный для осаждения токсикантов состав композитных сорбентов, а также условия, при которых сорбент вместе с токсичными соединениями можно перевести в минералоподобную форму.

Полые алюмосиликатные микросферы, известные как «ценосферы», получают из обычной золы, образующейся при сжигании угля. В их состав входят алюминий, кремний, примеси других металлов. В данной работе ученые использовали ценосферы, выделенные из летучей золы после сжигания кузнецкого каменного угля. Для того, чтобы получить композитные сорбенты, исследователи использовали ценосферы в качестве источника алюминия и кремния в сочетании с соединением циркония. В горячих водных растворах под давлением были получены цирконий-анальцимовые сферолиты, обладающий способностью связывать цезий и стронций.

Ученые проверили способность цирконий-анальцимовых частиц разного размера и состава извлекать катионы цезия и стронция из растворов разной кислотности. Наилучшие показатели связывания потенциальных токсикантов наблюдались у частиц с более высоким содержанием цирконий-содержащего компонента.

Затем исследователи оценили возможность включения сорбированных форм цезия и стронция в стабильные минералоподобные соединения. Для этого сорбенты после связывания цезия и стронция подвергали высокотемпературной обработке. Метод порошковой рентгеновской дифракции показал, что после выдерживания при температуре 1000 градусов Цельсия в составе композита появляются новые кристаллические соединения циркония, алюминия и кремния, способные включать также цезий и стронций. То есть композит, связавший из раствора цезий и стронций, перешел в другую, более стабильную, минералоподобную форму. Такие устойчивые к внешним воздействиям матрицы, содержащие радиоактивные соединения, можно использовать для дальнейшего длительного и безопасного для окружающей среды хранения радиоактивных отходов.

«В результате ряда преобразований мы впервые получили из присутствующих в угольной золе ценосфер композитные частицы, в состав которых входят цеолит типа анальцим и гидратированный диоксид циркония, связывающие цезий и стронций из раствора. Также мы определили условия, в которых формируются композитные частицы с повышенной сорбционной способностью, и условия их кристаллизации в устойчивую минералоподобную матрицу. В данной работе были использованы растворы нерадиоактивных изотопов, которые близки по своим свойствам к отходам ядерной промышленности. На следующем этапе необходимо проверить эффективность полученных композитов на растворах с радиоактивными изотопами этих химических элементов», — рассказала о результатах работы доктор химических наук ведущий научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Татьяна Верещагина.

Представленные результаты — это часть комплексной работы красноярских химиков по разработке технологий обращения с радиоактивными отходами с использованием микросферических компонентов зольных отходов тепловой энергетики. Ранее, используя алюмосиликатные микросферы, они показали возможность отвердения жидких радиоактивных отходов, содержащих цезий и стронций, в одностадийном автоклавном процессе. Шаг за шагом исследователи приближаются к решению задачи по эффективной переработке больших объемов радиоактивных отходов.