Радиохимики создают высокоэффективные сорбенты для очистки воды и почвы | Наука на Урале | Яндекс Дзен
4161 subscriber

Радиохимики создают высокоэффективные сорбенты для очистки воды и почвы

590 full reads
3,8k story viewsUnique page visitors
590 read the story to the endThat's 15% of the total page views
3 minutes — average reading time

Разработки прошли успешные испытания в Чернобыльской зоне и на японской АЭС «Фукусима»

Продолжаем серию публикаций, посвященных 100-летию Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург). В этот раз расскажем про уральскую радиохимическую школу, старейшую в нашей стране и единственную на Урале, которая насчитывает 70 лет.

Коллаж: медиацентр УрФУ.
Коллаж: медиацентр УрФУ.
Коллаж: медиацентр УрФУ.

Кафедра радиохимии Уральского политехнического института (ныне УрФУ) была создана в 1951 году усилиями организатора и первого декана физико-технического факультета Евгения Крылова.

Оформление школы произошло благодаря выдающемуся ученому Сергею Вознесенскому, первопроходцу в отечественной прикладной радиохимии и радиоэкологии. Под его руководством сотрудники кафедры приступили к исследованию одной из центральных проблем в этой области науки — проблемы управления поведением радиоактивных микрокомпонентов в сложносоставных природных и технологических системах, прежде всего возникающих на всех этапах ядерного топливного цикла.

Исследовательская специализация Уральской радиохимической школы — синтез неорганических сорбентов с заданными свойствами для концентрирования, разделения и удаления из водных растворов различного состава природных и техногенных радионуклидов, таких как радиоизотопы цезия, стронция, церия, рутения, урана, радия, плутония и других, изучение закономерностей поведения радионуклидов.

«Уральская радиохимическая школа внесла большой вклад в теорию межфазного распределения радионуклидов, описание статики сорбции радионуклидов, влияния форм состояния радионуклидов в водных растворах на закономерности сорбции. Ведь чтобы получить эффективные сорбенты, необходимо понимать, каким образом они извлекают радионуклиды, какие факторы влияют на работу сорбентов. Знания об этом дают возможность осуществлять направленный синтез сорбентов для решения радиохимических и радиоэкологических задач, — рассказывает Анна Воронина, с 2010 года возглавляющая кафедру радиохимии и прикладной экологии УрФУ.

Результат научной работы кафедры в 1970-80-х годах — несколько десятков авторских свидетельств и неоднократное признание кафедры радиохимии ведущим изобретательским коллективом в УПИ.

Именно на кафедре радиохимии началась подготовка инженеров в области обезвреживания радиоактивных промышленных стоков. За 70 лет кафедра обучила около 3 тыс. химиков-технологов и около 5 тыс. инженеров физических и других специальностей.

Воспитанники Уральской радиохимической школы возглавили отдельные кафедры УГТУ-УПИ и Южно-Уральского госуниверситета, из стен кафедры радиохимии вышли такие именитые ученые, как декан физико-технического факультета УГТУ-УПИ Аскольд Бекетов, почетный профессор УрФУ Юрий Егоров, замдиректора Института химии твердого тела Уральского отделения РАН Евгений Поляков, министр образования РФ в 1992-96 гг. Евгений Ткаченко. Сотрудники лаборатории «Термоксид», в их числе ее руководитель Леонид Шарыгин и другие выпускники кафедры радиохимии, за освоение промышленного производства неорганических сорбентов и их внедрение на атомных электростанциях были удостоены Государственной премии СССР.

Анна Воронина (вторая слева) с коллегами в музее ядерного оружия в Снежинске. Фото: из личного архива Анны Ворониной.
Анна Воронина (вторая слева) с коллегами в музее ядерного оружия в Снежинске. Фото: из личного архива Анны Ворониной.
Анна Воронина (вторая слева) с коллегами в музее ядерного оружия в Снежинске. Фото: из личного архива Анны Ворониной.

В настоящее время кафедра радиохимии и прикладной экологии УрФУ проводит исследования в трех направлениях. Это направленный синтез сорбентов и технологии их применения для переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), очистки радиоактивно-загрязненных природных вод и реабилитации радиоактивно-загрязненных территорий. Второе направление — радиохимический анализ и контроль радионуклидов в природных и технических объектах. Третье — технологии получения радионуклидов для научных и медицинских целей.

«В 1970-х годах на кафедре радиохимии началась разработка тонкослойных неорганических сорбентов (ТНС) для экспресс-определения радионуклидов в пресной и морской воде. Для получения ТНС сорбирующие вещества тонким слоем наносятся на относительно инертные (то есть химически неактивные) и недорогие плоские или пористые носители — целлюлозу, триацетатцеллюлозу, сополимер стирола с дивинилбензолом, полипропилен и другие. Такие сорбенты, благодаря тонкому сорбционному слою, очень быстро поглощают и накапливают радионуклиды, что принципиально важно в радиохимическом анализе, к примеру, питьевой воды», — комментирует Анна Воронина.

Разработанные методы радиохимического анализа с использованием ТНС успешно применялись в радиологическом мониторинге территории Восточно-Уральского радиоактивного следа (образовавшегося в связи с аварией на химкомбинате «Маяк» в Челябинской области в 1957 году), в обследовании природных вод зоны Чернобыльской аварии.

Ряд работ по радиоэкологическому мониторингу почв был проведен совместно с Институтом геохимии и аналитической химии РАН. ТНС внедрены в Институте химии Дальневосточного отделения РАН, Объединенном институте ядерных исследований (Дубна), Российском федеральном ядерном центре (Снежинск). Кроме того, на Кадамжайском сурьмяном комбинате в Узбекистане с помощью ТНС наладили сорбционное извлечение золота. Разработанные уральскими радиохимиками способы экспpессного pадиохимического анализа на отдельные pадионуклиды рекомендованы к использованию в химических службах российского Военно-морского флота.

Фильтры с использованием ТНС на основе нетканных фильтрующих материалов (полиэтилентерефталата и полипропилена), а также клиноптилолита, созданные на кафедре радиохимии УрФУ, способны очистить питьевую воду от целого «каталога» радионуклидов — цезия, стронция, церия, рутения, урана. Один фильтр может очистить до 4 м3 питьевой воды. Фильтры предназначены для ликвидации последствий аварий на предприятиях химической и радиохимической промышленности, атомных станциях. Работы выполнены по заказу «Экологического фонда Свердловской области» и курировались МЧС.

Кроме того, представители Уральской школы радиохимии разработали и запатентовали метод гранулирования природного алюмосиликата глауконита. Метод заключается в использовании этого природного минерала на станциях водоподготовки для очистки вод от тяжелых металлов и радионуклидов, устранения цветности и мутности воды.

Другая уникальная разработка Уральской радиохимической школы — поверхностно-модифицированные неорганические сорбенты.

«В отличие от ТНС, в сорбентах этой разновидности носитель сорбционно-активен сам по себе. Для повышения эффективности этих сорбентов мы наносим на них дополнительные сорбционно-активные фазы. Такой подход дает возможность повысить сорбционные характеристики носителя или расширить перечень извлекаемых радионуклидов, получить сорбент коллективного действия. Поверхностно-модифицированные сорбенты применяются для концентрирования радионуклидов из пpиpодных и пpоизводственных pаствоpов с высоким солесодержанием. Имеются в виду жидкие радиоактивные отходы предприятий и загрязненные радионуклидами природные воды, — поясняет Анна Воронина.

Разработанные сорбенты испытаны в Институте реакторных материалов (государственная корпорация «Росатом») на очистке жидких радиоактивных отходов от радионуклидов изотопов цезия, кобальта, стронция, альфа-излучающих радионуклидов при их совместном присутствии.

В одной из разновидностей поверхностно-модифицированных неорганических сорбентов в качестве носителей используются природные алюмосиликаты, безопасные для окружающей среды и поэтому подходящие для очистки радиоактивно-загрязненной питьевой воды и почв. Принцип действия поверхностно-модифицированных сорбентов таков: сорбционный материал вносится в почву, поглощает радионуклиды и препятствует их миграции, переходу в растения. Одного килограмма такого сорбента достаточно для дезактивации участка почвы размером 1м2 (около 150 кг почвы). После очистки почвы становятся пригодными для введения в сельскохозяйственное использование.

«Сорбенты для удаления радионуклидов цезия и стронция прошли испытания в зоне аварии на АЭС „Фукусима“ в Японии, полученные результаты нашли отражение в монографиях, выпущенных в издательстве Springer в 2015-2018 годах. Однако технологии дезактивации почв могут быть востребованы не только на территориях, загрязненных в результате радиационных аварий, но и там, где загрязнение почв природными радионуклидами происходит ввиду масштабного использования удобрений, — добавляет Анна Воронина. — Заинтересованность в восстановления земель сельскохозяйственного назначения после применения удобрений, содержащих радионуклиды, выразили наши китайские партнеры».

Новая область применения сорбционной технологии открылась в связи с задачами селективного извлечения из растворного топлива гомогенных ядерных реакторов и растворов облученных мишеней химически и радиохимически чистых радионуклидов, которые востребованы в ядерной медицине. Говоря об этом направлении в деятельности кафедры радиохимии и прикладной экологии УрФУ, необходимо отметить проект создания технологии селективного выделения изотопа высокочистого молибдена-99 с применением неорганических сорбентов марки «Термоксид». Качество изотопа подтверждено испытаниями в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт», в научных лабораториях Бельгии и США, получены российские и американские патенты.

Текущие проекты Уральской радиохимической школы связаны с дальнейшим совершенствованием сорбционных технологий переработки ЖРО, методов радиохимического анализа, теории межфазного распределения веществ. В частности, разрабатываются методы радиохимического анализа природных вод: метод определения изотопного состава урана в растворах его подземного выщелачивания и метод определения радия в природных водах основаны на использовании ТНС, другие методы радиохимического анализа природных вод — на применении сорбентов марки «Термоксид», в т. ч. модифицированных на кафедре. Летом 2021 года будут испытаны методы определения цезия-137 и стронция-90 для мониторинга подземных вод в местах захоронения радиоактивных отходов. По словам Анны Ворониной, в дальнейшем методы будут использованы для контроля санитарно-защитных зон предприятий ядерного топливного цикла и предложены Национальному оператору по обращению с радиоактивными отходами (также входит в госкорпорацию «Росатом»).

Кроме того, среди партнеров кафедры радиохимии и прикладной экологии УрФУ — Федеральный экологический оператор, Институт ядерных исследований РАН, Институт химии твердого тела УрО РАН, Московский государственный университет, Институт радиоэкологии и защиты от излучений Ганноверского университета (Германия), компания TRISKEM Int. (Франция). Деятельность Уральской радиохимической школы поддерживается Министерством науки и высшего образования РФ, Российским фондом фундаментальных исследований.

УрФУ — один из ведущих вузов России со столетней историей. Расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных летних студенческих игр 2023 года. В Год науки и технологий примет участие в конкурсе по программе «Приоритет–2030». Вуз выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ).

  • УрФУ оперативный — в Telegram