CC BY
42
УДК 545.79
1 2 1 А.А. Новичкова , Е.А. Захарченко , Е.А. Тюпина
1 Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия
2 Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН, Москва, Россия
КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ УРАНА НОВЫМИ СОРБЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК «ТАУНИТ»
Изучена сорбционная способность углеродных нанотрубок «Таунит» по отношению к урану в модельных растворах типа природных вод и определены условия концентрирования в статическом и динамическом режимах. Получены твердофазные экстрагенты (ТФЭ) путем импрегнирования «Таунита» дифенил[дибутилкарбомоил метил]фосфиноксидом (КМФО) и три-н-октилфосфиноксидом (ТОФО) в 5 моль/л HNO3. Установлено, что полученные ТФЭ обладают высокой сорбционной способностью по отношению к урану в 1-3 моль/л HNO3 и могут использоваться для концентрирования как в статических, так и в динамических условиях.
The sorption ability of carbon nanotubes "Taunit" in relation to uranium in model solutions such as natural waters and the conditions of preconcentration was investigated in the static and dynamic modes. Solid-phase extractants (SPE) were obtained by means of "Taunit" impregnation with diphenyl[dibutylcarbamoylmethyl]phosphine oxide (CMPO) and tri-w-octylphosphine oxide (TOPO) in 5 mol/L HNO3. It was shown that the obtained SPE have high sorption ability with respect to uranium in 1-3 mol/L HNO3 and can be used for uranium recovery both in static and dynamic conditions.
Актуальными задачами радиохимии являются концентрирование радионуклидов из природных водных сред и выделение актинидов и редкоземельных продуктов деления из азотнокислых растворов переработки отработавшего ядерного топлива. Для концентрирования радионуклидов широко используют сорбционные методы. Особый интерес в качестве сорбционного материала представляют собой углеродные нанотрубки (УНТ) благодаря развитой поверхности, высокой пористости, химической и радиационной стойкости. Отмечается перспективность использования УНТ для концентрирования радионуклидов из нейтральных водных растворов [1]. В азотнокислых растворах более эффективно использование модифицированных форм УНТ, например, твердофазных экстрагентов (ТФЭ), представляющих собой матрицы, на которых закреплены органические соединения, применяемые в жидкостной экстракции [2, 3]. Публикации последних лет свидетельствуют о том, что УНТ являются перспективной матрицей для получения ТФЭ [4].
В данной работе изучена возможность использования многостенных УНТ «Таунит» (Россия) для извлечения радионуклидов из растворов различного состава на примере урана, как наиболее изученного актинидного элемента. Использовали УНТ «Таунит», обработанные в процессе очистки азотной кислотой: ён =15-40 нм, ёвн =3-6 нм, длина волокон от 2 мкм, средний объем пор 0,22 см3/г, удельная поверхность более 120 м2/г, термостабильность 700°С [1]. Изучено концентрирование U(VI) «Таунитом» из модельных нейтральных водных растворов. Получены ТФЭ на основе «Таунита» и
фосфорорганических соединений и изучены их сорбционные свойства по отношению к урану в азотнокислых растворах. Определение урана в растворах проводили спектрофотометрически с реагентом арсеназо III.
Концентрирование урана из нейтральных растворов. Для изучения сорбции урана использовали углеродные нанотрубки «Таунит» без специальной модификации и модельный раствор, близкий по солевому составу к поверхностным природным водам (в мг/л): СГ-32; SO42--39; HCÜ3--150; Na+ -62; K+-36; Mg2+-10; Ca2+-43; pH 8,3. Основное внимание было уделено изучению влияния на сорбцию урана концентрации гидрокарбонат-ионов в растворе, соотношения объема раствора и массы сорбента (V:m), а также кинетическим свойствам сорбента.
Данные по степени извлечения U(VI) в зависимости от концентрации гидрокарбонат-ионов (табл.1), показали, что высокое (>220 мг/л) содержание ионов ИСО3- уменьшает степень извлечения U(VI). Обычно в природных водах содержание ИСО3- составляет от 50 до 220 мг/л, и, следовательно, не оказывает существенного влияния на сорбцию урана^!), поэтому «Таунит» может быть использован для извлечения урана из природных вод.
Табл.1. Степень извлечения и (VI) при сорбции из модельных растворов на «Тауните» в _зависимости от содержания ИСОз". \:т=100. сисх=20 мкг/мл_
Концентрация HCO3", мг/л Степень извлечения за 60 мин, %
150 92
220 81
350 52
900 17
Существенное влияние на степень извлечения элементов оказывает соотношение объема раствора и массы сорбента (V:m). На рис.1 приведены данные по степени извлечения U(VI) в зависимости от времени при различных соотношениях V:m, которые показывают, что наиболее эффективно использовать «Таунит» при V:m = 100.
R
100 1
80 60 1 40 20 -
V=25 мл, m=250 мг (V:m=100)
__А-Ж--А
V=25 мл, m=100 мг (V:m=25C
V=25M1m=50MrJV;m=500^
t, мин
10 20 30 40 50 60
Рис.1 Степень извлечения урана в зависимости от времени при различных соотношениях объема раствора и массы сорбента (V:m). сисх = 20 мкг/мл В этих условиях «Таунит» обладает хорошими кинетическими
0
свойствами: степень извлечения урана за 30 мин составила 90%. Это позволяет использовать «Таунит» в динамических условиях.
Для концентрирования урана в динамических условиях использовали колонки диаметром 1,0 см и 1,7 см. Получены данные по сорбционному извлечению урана при различных скоростях пропускания раствора и высоте слоя сорбента и выбраны условия для его полного извлечения: объем раствора 500-1000 мл, колонка диаметром 1,7 см, высота слоя сорбента 1,0 см (ш=0,75г), скорость пропускания раствора до 7,5 мл/мин.
Изучена возможность десорбции и(У1) раствором ИМО3. Получены данные по степени элюирования урана в зависимости от концентрации ИМО3, объема, скорости пропускания элюента и выбраны условия проведения полной (98-100%) десорбции: 25 мл 3М ИМО3, скорость пропускания 2,5 мл/мин.
Полученные данные показали, что «Таунит» может быть использован для концентрирования урана из растворов типа природных вод, что может быть использовано для его радиоаналитического определения. На основе литературных данных можно предположить, что в этих условиях будут также сорбироваться другие радионуклиды Ри, Аш, Ей, Тс [ 1].
Концентрирование урана ТФЭ на основе «Таунита» из азотнокислых сред. Ранее была установлена возможность получения ТФЭ путем импрегнирования «Таунита» аддуктами фосфорсодержащих реагентов в растворах азотной кислоты, образующих с актинидами прочные комплексы [4]. В настоящей работе для импрегнирования использовали дифенил[дибутил карбомоилметил]фосфиноксид (КМФО) и три-н-октил фосфиноксид (ТОФО). Импрегнирование проводили в ультразвуковой бане в растворе 5 моль/л ИМО3, изменяя соотношение реагент: «Таунит». Установлено, что при ультразвуковом перемешивании образуется суспензия аддукта реагента в азотной кислоте, и одновременно осуществляется прочное закрепление реагентов на «Тауните». Оптимальное соотношение реагента и «Таунита», при котором достигается наиболее полное извлечение урана, составляет 1:3 г/г.
Изучена сорбционная способность полученных ТФЭ Таунит-КМФО и Таунит-ТОФО в зависимости от концентрации азотной кислоты (табл.2). Полученные данные показали, что изученные ТФЭ могут эффективно сорбировать уран в растворах 1-3 моль/л ИМО3.
Табл. 2. Степень извлечения и(У1) на ТФЭ Таунит-КМФО и Таунит-ТОФО в зависимости от концентрации НЖОз. Время контакта - 30 мин. сисх=20 мкг/мл
Концентрация НКО3, моль/л Степень извлечения, %
Таунит-ТОФО Таунит-КМФО
0,5 100 82
1,0 98 90
3,0 91 100
5,0 80 100
Получены данные по степени извлечения урана в 3 моль/л HNO3 при различных соотношениях объема раствора и массы сорбента (V:m) (табл. 3), которые показали, что ТФЭ Таунит-КМФО и Таунит-ТОФО обеспечивают высокую степень извлечения урана в 3М HNO3 (92-100%) при соотношении V:m от 100 до 500.
Табл.З.Степень извлечения U(VI) ТФЭ на основе «Таунита» при различном соотношении V:m. сисх=20 мкг/мл ЗМ HNO3, время контакта - 60 минут.
V, мл m, г V:m, мл/г Степень извлечения, %
Таунит-ТОФО Таунит-КМФО
5 0,05 100 100 100
12,5 250 91 100
25 500 92 96
50 1000 75 80
Изучена возможность использования ТФЭ Таунит-КМФО и Таунит-ТОФО для концентрирования U(VI) из азотнокислых растворов в динамических условиях. Использовали колонки диаметром 1,0 см и 1,7 см, заполненные заранее полученным ТФЭ. На основе данных по сорбции урана из 3М HNO3 при различных скоростях пропускания раствора и высоте слоя сорбента выбраны условия для полного (95-100%) извлечения урана: объем раствора до 10 мл, колонка диаметром 1,0 см, высота слоя сорбента 0,5 см (т=0,125г), скорость пропускания раствора 0,7 мл/мин.
Полученные данные показали, что ТФЭ Таунит-КМФО и Таунит-ТОФО обладают достаточной устойчивостью в азотнокислых растворах, высокой сорбционной способностью в 1-3 М HNO3, и могут быть использованы для сорбционного извлечения урана из азотнокислых сред, в статических и в динамических условиях.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 11-03-0111).
Библиографические ссылки:
1. Моходоева О.Б., Маликов Д.А., Молочникова Н.П. и др. Углеродные нанотрубки: возможности использования для концентрирования радионуклидов.// Рос. Хим. Ж. Т. LIV, №3. 2010. С. 61-68.
2. Моходоева О.Б., Мясоедова Г.В., Захарченко Е.А. Твердофазные экстрагенты для концентрирования и разделения радионуклидов. Новые возможности.// Радиохимия, 2011,т. 53,№1. С. 34-41.
3. Horwitz E.P., Chiarizia R., Dietz M.L. et all. Separation and Preconcentration of Actinides from Acidic Media by Extraction Chromatography.//Anal.Chim.Acta. 1993. Vol.281, №2. P. 361-372.
4. Захарченко Е.А., Маликов Д.А., Мясоедова Г.В. и др. Твердофазные экстрагенты на основе углеродных нанотрубок «Таунит» для концентрирования актинидов и РЗЭ из азотнокислых растворов // Радиохимия, 2012, т. 54, №2. С. 148-151.
