Синтетические аналоги гидроталькита в процессах локализации радиоактивных элементов из растворов Климович, Ирина Викторовна

Введение к работе

Актуальность работы. Одной из наиболее актуальных экологических проблем современности в области промышленного использования атомной энергии является очистка значительных количеств жидких радиоактивных отходов (ЖРО), получающихся в различных процессах. Для извлечения радионуклидов из ЖРО все большее применение находят неорганические сорбенты. Они, в отличие от органических ионообменников, обладают более высокой механической прочностью, химической и радиационной устойчивостью, многие имеют невысокую стоимость. Несмотря на широкое применение различных сорбентов в процессах извлечения радионуклидов из ЖРО, не существует универсального сорбента, позволяющего проводить одновременное извлечение радионуклидов, присутствующих в растворе как в виде катионов, так и анионов. Для каждой химической формы используются либо катионообменные, либо анионообменные материалы. При этом, присутствие в ЖРО комплексообразующих лигандов значительно снижает эффективность сорбции применяемых сорбентов по отношению к тому или иному радионуклиду.

В процессах очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и токсичных анионов широкое применение находят слоистые двойные гидроксиды (СДГ). К настоящему времени синтезированы СДГ с различными двух- и трехвалентными металлами (M²⁺ - Mg²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Co²⁺, Cd²⁺, Sn²⁺, Pt²⁺; M³⁺ - Al³⁺, Fe³⁺, Cr³⁺, Mn³⁺, Ga³⁺, In³⁺, Bi³⁺, Y³⁺, La³⁺, V³⁺, Rh³⁺, Ir³⁺, Ru³⁺), а также с различными анионами и молекулами в своем составе. Преимуществом СДГ по сравнению с другими слоистыми соединениями является то, что в их структуру можно вводить широкий спектр анионов, причем замещение анионов в межслоевом пространстве (МСП) происходит без разрушения слоистой структуры. Кроме того, наличие ионов M²⁺ и M³⁺ в структуре СДГ предполагает их возможный обмен с катионами радиоактивных элементов в водной среде, т.е. их возможное использование в процессах очистки водных растворов, включая жидкие радиоактивные отходы, от радионуклидов.

Учитывая вышесказанное, важной и актуальной является проблема разработки неорганических сорбентов на основе СДГ для очистки водных сред, включая ЖРО низкой и средней активности, от радионуклидов, присутствующих как в катионной, так и анионной формах.

Целью настоящей работы является изучение процессов сорбции радионуклидов со слоистыми двойными гидроксидами в растворах различного химического состава.

Для достижения поставленной цели были решены следующие научные задачи:

1. Синтезированы СДГ и слоистые двойные оксиды (СДО) двух- и трехвалентных металлов и исследованы их физико-химических свойства;

2. Исследованы сорбционные свойства синтезированных сорбентов по отношению к радионуклидам йода, стронция, иттрия, кобальта и урана;

3. Исследовано влияние двух- (Mg²⁺, Ba²⁺, Sr²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ и Ni²⁺) и трехзарядных (Al³⁺, Fe³⁺, Nd³⁺) катионов, включенных в состав матрицы СДГ, на сорбционные свойства веществ;

4. Исследовано влияние анионов, входящих в структуру СДГ (CO₃^2-, SO₄^2-, NO₃^-, OH^-, Cl^-, C₂O₄^2-, H₂ЭДТА^2-), на физико-химические свойства данного класса соединений.

Объекты исследования - слоистые двойные гидроксиды состава СДГ-M²⁺-M³⁺-Анион (M²⁺ = Mg, Sr, Ba, Cu, Ni, Zn; M³⁺ = Al, Nd, Fe; Анион = CO₃^2-, Cl^-, SO₄^2-, NO₃^-, OH^-, C₂O₄^2-, H₂ЭДТА^2-) и слоистый двойной оксид состава СДО-Mg-Al.

Научная новизна.

1. Впервые исследована сорбция ¹³¹I^- и ¹³¹IO₃^- из водного раствора на СДГ-Mg-Al-Анион (Анион - CO₃^2-, NO₃^-) и СДО-Mg-Al. Установлено, что СДГ-Mg-Al-Анион (Анион - CO₃^2-, NO₃^-) не способны сорбировать радионуклид ¹³¹I ионов ¹³¹I^- и ¹³¹IО₃^- из водной среды, в то время как эффективность извлечения ¹³¹I^- и ¹³¹IО₃^- из водной среды на СДО-Mg-Al превышает 99%.

2. Впервые исследована сорбция радионуклидов ⁶⁰Co, ^85,90Sr, ⁹⁰Y и ¹³⁷Cs на СДГ-M²⁺-M³⁺-Анион (M²⁺ - Mg, Sr, Ba, Cu, Ni, Zn; M³⁺ - Al, Fe, Nd; Анион - CO₃^2-, SO₄^2-, NO₃^-, OH^-, Cl^-, H₂ЭДТА^2-, C₂O₄^2-) и СДО-Mg-Al из водных растворов сложного химического состава.

3. Выявлено влияние двух- (Mg²⁺, Ba²⁺, Sr²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ и Ni²⁺) и трехзарядных (Al³⁺, Fe³⁺, Nd³⁺) катионов, включенных в состав матрицы СДГ, на сорбционные свойства синтезированных СДГ в отношении ⁶⁰Co, ^85,90Sr, ⁹⁰Y и U(VI).

4. Исследовано влияние анионов, входящих в межслоевое пространство СДГ (CO₃^2-, SO₄^2-, NO₃^-, OH^-, Cl^-, C₂O₄^2-, H₂ЭДТА^2-), на сорбционные свойства синтезированных СДГ в отношении ⁶⁰Co, ^85,90Sr, ⁹⁰Y и U(VI).

5. Впервые показано, что ионы M²⁺ и M³⁺ в структуре СДГ-M²⁺-M³⁺-Анион (M²⁺ - Mg, Sr, Ba, Cu, Ni, Zn; M³⁺ - Al, Fe, Nd; Анион - CO₃^2-, SO₄^2-, NO₃^-, OH^-, Cl^-, H₂ЭДТА^2-, C₂O₄^2-) имеют слабую способность к ионному обмену и механизм сорбции ⁶⁰Co²⁺, ^85,90Sr²⁺, ⁹⁰Y³⁺ и U(VI) определяется, главным образом, образованием комплексных или малорастворимых соединений радионуклидов на поверхности зерен сорбента за счет взаимодействия химических форм радионуклидов, присутствующих в водном растворе, как с гидроксидными слоями решетки СДГ, так и с анионами, расположенными в межслоевом пространстве СДГ.

Практическая значимость.

Результаты экспериментов по сорбции ⁶⁰Co²⁺, ^85,90Sr²⁺ и ⁹⁰Y³⁺ (как аналога трехвалентных f-элементов) на СДГ-M²⁺-M³⁺-Анион (M²⁺ - Mg, Ni, Zn; M³⁺ - Al, Fe, Nd; Анион - CO₃^2-, OH^-, H₂ЭДТА^2-, C₂O₄^2-), а также ¹³¹I^- и ¹³¹IО₃^- на СДО-Mg-Al из водных растворов показали перспективность использования данных сорбентов для извлечения исследованных радионуклидов из водных растворов сложного химического состава, не содержащих ЭДТА.

Результаты экспериментов по сорбции микроколичеств ²³³U на СДГ-Mg-Al-CO₃ из модельного раствора, имитирующего воды спецканализации химико-металлургического завода ПО «Маяк», а также из модельного раствора UO₂(NO₃)₂, содержащего усредненные значения концентраций различных компонентов, которые наиболее часто встречаются в различных природных и технологических водах, показали, что соединения СДГ-Mg-M³⁺-CO₃ (M³⁺ - Al, Nd) перспективны для эффективного извлечения U(VI) из водных растворов сложного химического состава.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, включая 5 из списка журналов ВАК, а также 16 тезисов докладов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Втором Международном конгрессе по ядерной химии (Мексика, г. Канкун, 2008), Шестой Российской конференции по радиохимии "Радиохимия - 2009" (г. Москва), XVII Междyнародной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов 2010" (г. Москва), V конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН "Физикохимия - 2010" (г. Москва), XXVII Международной конференции "Геохимия магматических пород" (Россия-Украина, г. Москва - Коктебель, 2010), XI научно-практической конференции "Дни науки - 2011. Ядерно-промышленный комплекс Урала" (г. Озерск), XIX Менделеевском съезде (г. Волгоград, 2011), III Всероссийском симпозиуме "Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии" (г. Краснодар, 2011), VI конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН "Физикохимия - 2011" (г. Москва), VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "Менделеев - 2012" (г. Санкт-Петербург), Пятой Российской школе-конференции по радиохимии и ядерным технологиям (г. Озерск, 2012), Седьмой Российской конференции по радиохимии "Радиохимия - 2012" (г. Димитровград), VII конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН "Физикохимия - 2012" (г. Москва).

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, заключения, выводов, списка цитируемых источников из 335 наименований. Материал диссертационной работы изложен на 182 страницах печатного текста, включает 36 рисунков и 52 таблицы.

Похожие диссертации на Синтетические аналоги гидроталькита в процессах локализации радиоактивных элементов из растворов

Сорбция хитином, хитозаном и хитинсодержащими материалами радиоактивных элементов из водных растворовСеливерстов Александр Федорович

Сорбция хитином, хитозаном и хитинсодержащими материалами радиоактивных элементов из водных растворовСеливерстов Александр Федорович

Сорбция хитином, хитозаном и хитинсодержащими материалами радиоактивных элементов из водных растворов Селивёрстов Александр Федорович

Экстракция трансплутониевых и редкоземельных элементов циркониевой солью дибутилфосфорной кислоты из азотнокислых растворов Шмидт Ольга Витальевна

Процессы сокристаллизации f-элементов в низших состояниях окисления и некоторых радионуклидов в растворах, расплавах и газовой фазеКулюхин Сергей Алексеевич

Молекулярное строение и процессы химического обмена в координационных соединениях d- и 4f-элементов в растворах по данным ЯМРБабайлов Сергей Павлович

Влияние структурных факторов на кислотно-основные свойства и комплексообразование дипирролилметенов с солями d- и f-элементов в растворахАхмад Десоки Мохамад Мохамад

Фазовые равновесия и физико-химические свойства в рядах растворов солей элементов ПА-группыТрунова Анна Николаевна

Термодинамика образования простых и комплексных ионов трансплутониевых элементов в растворах Лебедев Игорь Александрович

Термодинамика растворов кислорода, элементов-раскислителей и легирующих элементов в металлических расплавах на основе железаКоврига Евгения Владиславовна