Метод получения композитных цирконий-анальцимовых сорбентов, способных связывать изотопы цезия и стронция, разработала команда ученых ФИЦ «Красноярский научный центр (КНЦ) СО РАН» и Сибирского федерального университета, сообщает 6 декабря пресс-служба КНЦ СО РАН.

Функционирование атомной энергетики требует переработки образующихся при этом радиоактивных отходов. Широко применяемым способом удаления токсических соединений из растворов является использование в качестве сорбентов неорганических композитных ионообменных материалов.

Такие материалы осаждают на своей поверхности радионуклиды, переводя их из раствора в твердую форму, что уменьшает объем отходов и упрощает их последующее захоронение.

Эффективность сорбента будет выше, если он связывает несколько радиоактивных элементов. Однако создание таких материалов имеет ряд сложностей, которые сумели преодолеть красноярские ученые. Они разработали технологию синтеза мелкодисперсных цирконий-анальцимовых материалов, одновременно связывающих из раствора изотопы цезия, Cs (I), и стронция, Sr (II).

Исходным сырьем для сорбента стали ценосферы — полые алюмосиликатные микросферы, получаемые из золы, образующейся при сжигании угля. В состав ценосфер входят алюминий, кремний и примеси других металлов.

Ученые определили состав композитных сорбентов, оптимальный для осаждения токсикантов, и способ перевода сорбента вместе с осажденными радиоактивными соединениями в минералоподобную форму, которая позволяет использовать ее для последующего захоронения радиоактивных отходов.

Чтобы новые композитные сорбенты были способны связывать цезий и стронций, исследователи добавили под давлением в горячий водный раствор соединения циркония, получив в результате цирконий-анальцимовые сферолиты.

Их способность извлекать катионы цезия и стронция из растворов разной кислотности ученые проверили для цирконий-анальцимовых частиц разного размера и состава. Экспериментально было доказано, что наилучшие показатели связывания токсикантов давали частицы с более высоким содержанием цирконий-содержащего компонента.

Для включения сорбированных форм цезия и стронция в стабильные минералоподобные соединения их подвергали высокотемпературной обработке. Порошковая рентгеновская дифракция показала, что выдерживание при температуре 1000 °С ведет к образованию в композите кристаллических соединений циркония, алюминия и кремния, которые включают в себя также цезий и стронций.

Таким образом, композит, связавший из раствора цезий и стронций, образовал более стабильную, минералоподобную форму, которую уже можно использовать для длительного и безопасного хранения радиоактивных отходов.

Ведущий научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН доктор химических наук Татьяна Верещагина рассказала о результатах проделанной исследователями работы:

«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».

Так как исследование проводилось на растворах нерадиоактивных изотопов, близких по своим свойствам к отходам ядерной промышленности, то далее будет необходимо проверить сорбционные свойства новых композитов на растворах с радиоактивными изотопами цезия и стронция, пояснила Верещагина.

Исследование красноярских ученых было выполнено в рамках комплексной работы по разработке технологий обращения с радиоактивными отходами с использованием микросферических компонентов зольных отходов тепловой энергетики.

Его результаты ученые представили в статье «Гидротермальный синтез и сорбционные свойства Cs (I) и Sr (II) диоксид циркония-анальцимовых композитов, полученных из ценосфер угольной летучей золы, опубликованной в журнале Chimica Techno Acta 2022, vol. 9(4).