Исследователи из Университета Райса и Казанского федерального университета в России нашли способ извлечения радиоактивности из воды и заявили, что их открытие может помочь очистить сотни миллионов галлонов загрязненной воды, хранившейся после аварии на АЭС Фукусима.
Они сообщили, что их окислительно-модифицированный углеродный (OMC) материал недорог и высокоэффективен при поглощении катионов радиоактивных металлов, включая цезий и стронций, токсичных элементов, выброшенных в окружающую среду, когда завод Фукусима расплавился после землетрясения и цунами в март 2011 г.
OMC может легко улавливать обычные радиоактивные элементы, обнаруженные в заводненных водах при добыче нефти, такие как уран, торий и радий, сказал химик из риса Джеймс Тур, который руководил проектом вместе с Айратом Димиевым, бывшим научным сотрудником своей лаборатории и доктором наук. ныне профессор-исследователь Казанского федерального университета.
По словам Тура, этот материал хорошо использует пористую природу двух конкретных источников углерода. Одним из них является недорогой порошок на основе кокса, известный как C-seal F, который используется в нефтяной промышленности в качестве добавки к буровым растворам. Другой природный минерал с высоким содержанием углерода, называемый шунгит, встречается в основном в России.
Результаты появятся в этом месяце в Carbon.
Тур и исследователи из Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова уже продемонстрировали метод удаления радионуклидов из воды с использованием оксида графена в качестве сорбента, как сообщалось в журнале «Экстракция растворителем и ионный обмен» в конце прошлого года, но новое исследование предполагает, что ОМС проще и намного дешевле в обработке.
Обработка частиц углерода окисляющими химическими веществами увеличила площадь их поверхности и «украсила» их молекулами кислорода, необходимыми для адсорбции токсичных металлов. Размер частиц составлял от 10 до 80 микрон.
В то время как оксид графена превосходно удалял стронций, Тур сказал, что два типа OMC лучше извлекали цезий, который, по его словам, был самым трудным для удаления элементом из воды, хранящейся на Фукусиме. По его словам, OMC также намного проще и дешевле синтезировать и использовать в стандартной системе фильтрации.
«Мы знаем, что можем использовать оксид графена для улавливания легких радиоактивных элементов, имеющих отношение к очистке Фукусимы, а именно цезия и стронция», - сказал Тур. «Но во втором исследовании мы узнали, что можем перейти от оксида графена, который остается более дорогим и трудным в производстве, к действительно дешевому окисленному коксу и родственным углеродам для улавливания этих элементов».
В то время как другие материалы, используемые для восстановления радиоактивных отходов, необходимо хранить вместе с улавливаемыми ими отходами, углерод представляет явное преимущество, сказал он.«Углерод, который захватил элементы, можно сжечь в ядерном мусоросжигателе, оставив лишь очень небольшое количество радиоактивного пепла, который гораздо легче хранить», - сказал Тур.
«Просто пропуская загрязненную воду через фильтры OMC, можно извлечь радиоактивные элементы и сделать возможным безопасный сброс в океан», - сказал он. «Это может стать большим шагом вперед в усилиях по очистке Фукусимы».
Два вида частиц OMC - один из углерода, полученного из кокса, а другой - из шунгита - выглядят как шарики из мятой бумаги или розы с очень неправильными лепестками. Исследователи протестировали их путем смешивания сорбентов с загрязненной водой, а также с помощью колоночной фильтрации - стандартного процесса, при котором жидкость прокачивается или протягивается под действием силы тяжести через фильтр для удаления загрязняющих веществ..
В тесте на смешивание лаборатории диспергировали нерадиоактивные изотопы стронция и цезия в родниковой воде, добавляли OMC и перемешивали в течение двух часов. После фильтрации сорбента они измерили частицы, оставшиеся в воде.
OMC1 (из кокса) показал себя лучше всего при удалении как цезия, так и стронция из загрязненной воды, и этот показатель значительно улучшался по мере увеличения количества сорбента. Они сообщили, что максимум 800 миллиграммов OMC1 удалили около 83 процентов цезия и 68 процентов стронция из 100 миллилитров воды.
OMC2 (из шунгита) в тех же концентрациях адсорбировало 70 процентов цезия и 47 процентов стронция.
Исследователи были удивлены, увидев, что частицы простого шунгита извлекают почти столько же цезия, сколько его окисленный аналог. «Интересно, что обычный шунгит использовался местными жителями для очистки воды с древних времен», - сказал Димиев. «Но мы многократно увеличили его эффективность, а также выявили факторы, лежащие в основе его эффективности».
В ходе испытаний на колоночную фильтрацию, в ходе которых через фильтр OMC пропускали 1400 миллилитров загрязненной воды объемом 100 миллилитров, фильтр удалял почти 93 процента цезия и 92 процента стронция за один проход. Исследователям удалось локализовать и изолировать загрязнители, попавшие в фильтрующий материал.