Радиохимики создают высокоэффективные сорбенты для очистки воды и почвы

09:01, 15 июня 2021

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

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

Продолжаем серию публикаций, посвященных 100-летию Уральского федерального университета. В этот раз расскажем про уральскую радиохимическую школу, старейшую в нашей стране и единственную на Урале, которая насчитывает 70 лет. Кафедра радиохимии Уральского политехнического института (ныне УрФУ) 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 проблемы управления поведением радиоактивных микрокомпонентов в сложносоставных природных и технологических системах, прежде всего возникающих на всех этапах ядерного топливного цикла.

«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.

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 (образовался в связи с аварией на химкомбинате «Маяк» в Челябинской области в 1957 году), в обследовании природных вод зоны чернобыльской аварии.

Фильтры с использованием ТНС, 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. Сотрудники кафедры радиохимии и прикладной экологии УрФУ создали 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 том числе 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»).