бондарь 20.10.2017

НОВЫЕ КОМПОЗИТНЫЕ СОРБЕНТЫНОВЫЕ КОМПОЗИТНЫЕ СОРБЕНТЫ
ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО ВЫДЕЛЕНИЯДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО ВЫДЕЛЕНИЯ
РАДИОНУКЛИДОВ ИЗ ЗАГРЯЗНЕННЫХРАДИОНУКЛИДОВ ИЗ ЗАГРЯЗНЕННЫХ
ВОДВОД
Ю.В. Бондарь, Д.О. Богачева, С.В.
Кузенко
ГУ «Институт геохимии окружающей среды
НАН Украины», г. Киев
Харьков, 18-20 октября 2017

Актуальной задачей дальнейшего развития атомной энергетики
является поиск экологически приемлемого решения проблемы
обращения с жидкими радиоактивными отходами (ЖРО).
Наибольшую экологическую опасность представляют ЖРО
низкого и среднего уровня активности как в связи с большим
объемом накопленных отходов, так и их высокой суммарной
активностью
Одним из рассматриваемых вариантов решения проблемы
является селективное извлечение долгоживущих радионуклидов
(137
Cs, 90
Sr и др.) из ЖРО до уровня, допускающего последующий
сброс очищенных вод в окружающую среду.
Разработка новых эффективных сорбционных материалов, таким
образом, приобретает особую актуальность.
Для успешного внедрения они должны иметь такие
характеристики как селективность, высокая чувствительность,
способность обеспечить очистку больших объемов загрязненных
вод и невысокая стоимость.

Ионообменные смолы;
Модифицированные полимерные
волокна с функциональными
группами
Неорганические сорбенты Органические сорбенты
Стратегия: Синтез композитных сорбентов путем осаждения /
внедрения) неорганических нано(микро)частиц на (в) твердые
неорганические (силикагель, цеолиты, гидроксиды титана и циркония,
глины, или органические (гранулы, волокна, ткани) матрицы
Недостатки:
Синтезируются в виде мелкодисперсных
частиц, которые быстро
агломерируются и теряют сорбционную
способность
Преимущества:
Химическая и механическая
стойкость, высокая
сорбционная емкость, низкое
гидравлическое сопротивление,
невысокая стоимость
Почему композитные сорбенты ?
Преимущества:
Селективность, чувствительность,
термическая (и радиационная)
стойкость Недостатки:
Невысокая селективность,
деградация органической
матрицы, трудности утилизации
Нерастворимые соли (ферроцианиды
фосфаты);
Гидроксиды поливалентных металлов
(Fe2O3xnH2O, TiO2xnH2O, MnO2, Sb2O5…);
Смешанные гидроксиды (Na4Ti9O20…);
Соли гетерополикислот ((NH4)3PMo12O40)
Fe(CN)6],

Почему композиты на основе
полимерных волокон?

Сорбениты для селектовного связыванияСорбениты для селектовного связывания
137137
CsCs
Ферроцианид
K2Ni[Fe(CN)6]
in situ формирование ферроцианидного слоя на поверхности волокон
Метод:

КОМПОЗИТНЫЕ ВОЛОКНА ПАН-KNiКОМПОЗИТНЫЕ ВОЛОКНА ПАН-KNi
ФЕРРОЦИАНИДФЕРРОЦИАНИД
Композитные ПАН волокна сКомпозитные ПАН волокна с
осажденным слоем KNi ферроцианидосажденным слоем KNi ферроцианид

Резальтаты: композитные ПАН- KNi ФСРезальтаты: композитные ПАН- KNi ФС
волокнаволокна

Химическая устойчивостьАдсорбция Cs

волокнаволокнаАдсорбция ионов Cs из высокосолевых
растворов
Композитные волокна характеризуются высокой селективностью по
отношению к ионам Cs в присутствии большого избытка конкурирующих

волокнаволокнаАдсорбция ионов 137
Cs из высокосолевых
растворов
Композитные волокна характеризуются высокой селективностью по
отношению к радионуклидам Cs в присутствии большого избытка
конкурирующих ионов Na и K

Выводы: композитные ПАН- KNi ФСВыводы: композитные ПАН- KNi ФС

Композитные полипропиленовыеКомпозитные полипропиленовые
волокна с осажденным слоем KNiволокна с осажденным слоем KNi
ферроцианидферроцианид

Результаты: Композитные волокна ПП-Результаты: Композитные волокна ПП-
KNi ФСKNi ФС

KNi ФСKNi ФСАдсорбция Cs
Адсорбция Cs в
присутствии ионов Na

KNi ФСKNi ФС
Адсорбция 137
Cs из высокосолевого раствора

Выводы: композитные ПП- KNi ФСВыводы: композитные ПП- KNi ФС

 Особый интерес представляет синтез современных материалов на
основе диоксида марганца. В качестве сорбента для тяжелых металлов и
радионуклидов, а также в процессах каталитического окисления как
органических, так и неорганических загрязнителей хорошо
зарекомендовал себя диоксид марганца со структурой бирнессита
(birnessite) – δ-MnO2.
 Бирнессит имеет слоистую структуру с типичным
межслоевым расстоянием ~ 7 Å, где каждый слой
представляет собой сетку соединенных вершинами
октаэдров [MnO6].
 Марганец в бирнессите находится в степенях окисления +4 и +3. Это
приводит к появлению отрицательного заряда на металлоксидных слоях,
который компенсируется за счет вхождения различных катионов (Na+
, K+
,
Ca2+
и др.) и молекул воды в межслоевое пространство, что придает
бирнесситу ярко выраженные катионообменные и каталитические
Сорбениты для селектовного связыванияСорбениты для селектовного связывания
137137
CsCs

Исходные волокна - модифицированные
полиакрилонитрильные (ПАН) волокна с
карбоксильными группами
Почему полиакрилонитрильные (ПАН) волокна?
Химическая, термическая и радиационная устойчивость ПАН матрицы;
Возможность модификации нитрильных групп с получением
ионообменных групп;
Невысокая стоимость ПАН волокон.
NaOHNaOH
Схема синтеза
СЭМ (JSM6490LV (JEOL)), ИК-Фурье спектрометрия («Spectrum One»
(Perkin Elmer), рентгеновская дифракция (ДРОН-3 ), спектрофотометрия
(DR 2800 (Hach Lange)
Методы анализа
Синтез: композитные ПАН- MnOСинтез: композитные ПАН- MnO22

После in situ формирования слоя
MnO2 цвет композитных волокон
изменился на черный, а текстура
стала шероховатой. Диоксид
марганца осаждается на
поверхность волокон в виде
равномерного слоя, состоящего из
плотно прилегающих друг к другу
наноагрегатов (50-70 нм) округлой
формы. Результаты микроанализа
показали в осажденном слое
присутствие элементов Na, K, Mn, O,
соответствующих составу К-Na
бирнессита.
Резальтаты: композитные ПАН- MnOРезальтаты: композитные ПАН- MnO22

Типичная рентгеновская дифрактограмма и ИК спектр бирнессита
(δ-MnO2)
Рентгеновская дифрактограмма и ИК спектры композитных ПАН
волокон

Резальтаты: осадок при синтезеРезальтаты: осадок при синтезе
композитных ПАН- MnOкомпозитных ПАН- MnO22 волоконволокон

Адсорбция Sr из раствора, содержащего
ионы Са (при Sr/Ca= 1/27)
N Тип сорбента Раствор/сорб
ент,
мл/г
Эффективнос
ть
адсорб
ции Sr,
%
Адсорбци
я,
мг/
г
1 ПАН волокна 15/0,06 2,4 0,2
2 ПАН волокна 15/0,05 9,1 0,9
3 Композит.
волокна
15/0,05 25,1 2,5
4 Композит.
волокна
15/0,05 18,8 1,8
5 Композит.
волокна
15/0,05 26,0 2,6
6 Осадок 15/0,1 89,4 4,5
7 Осадок 15/0,1 84,8 4,2
8 Осадок 15/0,1 70,0 3,5

Сорбция Sr из раствора, содержащего ионы Са
(Са/Sr= 27)
Элемент Весовой % Атомный%
O K 55.17 80.48
Al K 0.46 0.40
K K 0.87 0.52
Ca K 2.41 1.40
Mn K 39.92 16.96
Sr K 0.47 0.13
После температурной обработки
Элемент Весовой % Атомный%
O K 53.56 79.86
K K 1.07 0.65
Ca K 0.68 0.41
Mn K 43.00 18.67
Sr K 1.11 0.30
Ba L 0.58 0.10
Итоги 100.00
Ba L 0.70 0.12
W L 0.00 0.00
Итоги 100.00

 Синтезированы композитные волокна путем in situ
формирования слоя диоксида марганца на поверхности
модифицированных полиакрилонитрильных волокон;
 Формирование слоя MnO2
на поверхности волокон
подтверждено результатами электронно-
микроскопического, инфракрасного и
рентгенофазового исследований;
 Электронно-микроскопические исследования
показали, что диоксид марганца формируется на
поверхности волокон в виде равномерного слоя,
состоящего из плотно прилегающих друг к другу
наноагрегатов (30—40 нм);
 Рентгенофазовый анализ позволил диагностировать
диоксид марганца на поверхности волокон как δ-MnO2
(диоксид марганца со структурой бирнессита).
Выводы: композитные ПАН- MnOВыводы: композитные ПАН- MnO22

бондарь 20.10.2017

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Plus de Ukrainian Nuclear Society

Plus de Ukrainian Nuclear Society (20)

бондарь 20.10.2017