CC BY
12
УДК 541.11:621.039.72
Фидченко М.М., Варнавская А.Д., Алехина М.Б., Милютин В.В., Некрасова Н.А.
СОРБЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИК УГЛЕРОДНО-МИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОЙ МОНТМОРИЛЛОНИТОВОЙ ГЛИНЫ И ШИННОЙ КРОШКИ ПО ОТНОШЕНИЮ К РАДИОНУКЛИДУ 137Cs
Фидченко Михаил Михайлович, аспирант 2-го года обучения факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов РХТУ им. Д.И. Менделеева e-mail: [email protected]
Варнавская Алика Дмитриевна, студент 4 курса факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов РХТУ им. Д.И. Менделеева
Алехина Марина Борисовна, д.х.н., профессор кафедры Технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Д.И. Менделеева
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Россия, Москва, [email protected]. Милютин Виталий Витальевич, д.х.н., заведующий лабораторией хроматографии радиоактивных элементов ИФХЭ РАН
Некрасова Наталья Анатольевна, к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории хроматографии радиоактивных элементов ИФХЭ РАН
Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Россия, Москва.
В данной работе изучены сорбционные характеристики углеродно-минеральных материалов на основе природной монтмориллонитовой глины и автомобильной шинной крошки по отношению к радионуклидам цезия с целью определения возможности их использования для очистки радиоактино-загрязненных техногенных и природных вод.
Ключевые слова: природная монтмориллонитовая глина, шинная крошка, радионуклиды цезия, сорбция, водные растворы
SORPTION CHARACTERISTICS OF CARBON-MINERAL MATERIALS BASED ON NATURAL MONTMORILLONITE CLAY AND TIRE CRUSH WITH RESPECT TO 137Cs RADIONUCLIDE
Fidchenko М.М., Varnavskaya A.D., Alekhina M.B., Milyutin V.V. Nekrasova N.A. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.
This article studies the sorption characteristics of carbon-mineral materials based on natural montmorillonite clay and car tire crumbs with respect to cesium radionuclides in order to determine the possibility of their use for the purification of radioactively contaminated technogenic and natural waters.
Keywords: natural montmorillonite clay, tire crumb, cesium radionuclides, sorption, aqueous solutions
Техногенные сточные воды загрязнены в Среди природных сорбентов для извлечения
основном отходами и выбросами производства. К ионных форм радионуклидов цезия и стронция
ним относятся отработавшие технологические применяются природные глины различного состава.
растворы, маточники, кубовые остатки, Сорбция ионов цезия и стронция протекает за счет
технологические и промывные воды, шахтные и наличия в структуре глин обменных ионов натрия,
карьерные воды, воды химводоочистки, воды от калия, магния, кальция и др. Недостатками
мытья оборудования и производственных природных глин является их высокая
помещений, а также от очистки и охлаждения гидрофильность и набухаемость. газообразных отходов, очистки твёрдых отходов и их Материалы с нанесенными на минеральную
транспортировки [1]. К наиболее токсичным матрицу углеродными слоями находят применение в
компонентам сточных вод относятся радиоактивные качестве сорбентов и носителей катализаторов,
элементы, которые могут попадать в сточные воды в особенно в связи с требованиями недефицитности и
результате деятельности предприятий ядерного дешевизны сорбентов для очистки воды.
топливного цикла, атомных электростанций, а также Технологическими преимуществами углеродно-
при авариях на радиационно-опасных объектах [2]. минеральных сорбентов на основе закоксованных
Для очистки сточных вод от радионуклидов широко или пиролизованных минеральных глин являются их
используются сорбционные методы, а в качестве более высокая, чем у активных углей, прочность и
адсорбентов - материалы как синтетического, так и водостойкость гранул. Это позволяет применять
природного происхождения. Основным углеродно-минеральные сорбенты в качестве
преимуществом сорбентов на основе природных зернистого фильтрующего материала для удаления
материалов является их доступность и низкая из воды эмульгированных нефтепродуктов [3]. стоимость. В данной работе изучены сорбционные
характеристики по отношению к радионуклидам
цезия образцов углеродно-минеральных материалов на основе природной монтмориллонитовой глины и шинной крошки с целью определения возможности их использования для очистки радиоактино-загрязненных техногенных и природных вод.
В качестве минеральной матрицы была использована природная монтмориллонитовая глина Борщевского месторождения Калужской области с содержанием монтмориллонита 75-80 мас. % В качестве источника углерода использовали шинную крошку - продукт переработки автомобильных шин. Смесь частиц глины и шинной крошки гранулировали, полученные гранулы подвергали пиролизу в бескислородной среде при 350-800оС.
Для испытаний использовали следующие образцы:
- исходный образец - «монтмориллонит + шинная крошка»;
- пиролизованный образец -«монтмориллонит + шинная крошка» после пиролиза при 400 оС.
Перед использованием образцы высушивали на воздухе при температуре 105°С в течение 10 ч, растирали в ступке и просеивали на сите с размером 0,375 мм.
Сорбционные характеристики образцов устанавливали путем определения значений коэффициентов распределения (Ка) радионуклида
в различных растворах. Эксперименты проводили в статических условиях путем непрерывного перемешивания навески воздушно-сухого сорбента массой около 0,1 г, взвешенной с точностью 0,0001г с 20 см3 раствора в течение 48 ч. Затем смесь фильтровали через бумажный фильтр «белая лента» и определяли в фильтрате удельную активность 137Cs. По результатам рассчитывали значения К по формуле:
анализов
К =
Ао - Ар А„
У„
т„
,(1)
где, Ао, Ар - соответственно удельная активность в исходном растворе и в фильтрате, Бк/дм3; Ур -объем жидкой фазы, см3; тс - масса сорбента, г
В качестве жидкой фазы использовали водопроводную воду г. Москвы состава, мг/дм3: - 6-8; К+ - 4-5; М§2+ - 15-17; Са2+ - 52-56; С1- -6-8; Б042- - 36-38; НСО3- - 200-205; общее солесодержание - 310-330; общая жесткость - 3,63,8 мг-экв/дм3; рН 7,6-7,8 и 0,1-1,0 моль/дм3 растворы №N0^ рН=6,0.
Перед началом экспериментов в растворы вносили индикаторные количества Cs в количестве около 105 Бк/дм3 и выдерживали в течение не менее 3 суток для установления равновесия между радиоактивными и неактивными компонентами раствора.
Удельную активность 137Cs в растворах определяли прямым радиометрическим методом по гамма-лини 661 кэВ с использованием универсального спектрометрического комплекса СКС-50М («Грин стар технолоджиз», Россия).
Для получения сравнительных характеристик исследованных образцов в аналогичных условиях проводили сорбцию на следующих сорбентах:
- ФСС - ферроцианидный сорбент на основе ферроцианида никеля-калия, нанесенного на силикагель, ТУ 2641 - 012 - 57983206 - 2012 (НПП «Эктос- Атом», Москва, Россия);
- ГЛ - природная монтмориллонитовая глина Нелидовского месторождения (Белгородская область) с содержанием монтмориллонита 50 мас. %;
- КЛ - природный клиноптилолит Холинского месторождения (Читинская область);
При определении сорбционных
характеристик проводили два параллельных эксперимента. Полученные результаты приведены в таблице.
Таблица 1 - Значения коэффициента распределения (К,|) 137С$ на различных ^ сорбентах
№ п.п. Сорбент К 13^, см3/г в растворе
водопроводная вода 0,1М №N03
1 Исходный образец «монтмориллонит + шинная крошка» (1,2±0,2)х105 (7,8±0,3)х103
2 Пиролизованный образец «монтмориллонит + шинная крошка» (2,1±0,3)х104 (3,9±0,1)х103
3 ФСС (9,1±0,3)х104 (8,4±0,3)х104
4 ГЛ (2,5±0,3)х104 (1,3±0,2)х104
5 КЛ (1,1±0,2)х104 (1,60±0,05)х103
х
Представленные результаты показывают, что исходный гранулированный композит
«монтмориллонит + шинная крошка» по сорбционным характеристикам по отношению к в водопроводной воде находится на одном уровне с известными, наиболее эффективными сорбентами на При сорбции из 0,1 моль/дм3
раствора КаК03 (рН=6,0) значения К для
исходного монтмориллонита снижаются более, чем на порядок. Значения Ка 137Cs на пиролизованном
композите «монтмориллонит + шинная крошка» в 25 раз ниже, по сравнению с исходным образцом, что может быть связано с частичной блокировкой ионообменных центров монтмориллонита углеродом, отложившимся на поверхности в результате пиролиза.
На рисунке приведены зависимости коэффициента распределения (К) 13^ на исследуемых образцах и клиноптилолите от
концентрации нитрата натрия в растворе в диапазоне 0,1-1,0 моль/дм3.
Рис.1 Зависимость коэффициента распределения (К) 137Сз от концентрации ^N03 в растворе на различных образцах сорбентов: 1 - исходный «монтмориллонит + шинная крошка»; 2 - пиролизованный «монтмориллонит + шинная крошка»; 3 - клиноптилолит.
Представленные результаты показывают, что значения К на всех изученных образцах
сорбентов закономерно снижаются при увеличении
концентрации
NaNÜ3
в растворе, при этом
зависимости от С^шоз в билогарифмических
координатах представляют собой практически прямые линии с тангенсом наклона около 1, что свидетельствует об эквивалентном ионообменном характере сорбции цезия.
Как следует из полученных результатов, исходный гранулированный композит
«монтмориллонит + шинная крошка» по сорбции цезия из водопроводной воды в пределах погрешности находится на уровне сорбента ФСС. Однако, в водопроводной воде очень мало конкурирующих с цезием ионов щелочных металлов. Результаты сорбции цезия из 0,1 М раствора нитрата натрия показали снижение значения K 137Cs для композита «монтмориллонит + шинная крошка» на порядок по сравнению с ФСС. Тем не менее, у этого сорбента есть перспективы применения. Если его приготовить в виде механически прочных гранул, размером 0,5-3 мм, то тогда его можно будет использовать в динамическом варианте процесса очистки сточных вод. Хотя здесь будет конкуренция со стороны природного клиноптилолита, который значительно дешевле.
Список литературы
1. Очистка сточных вод. Биологические и химические процессы /М. Хенце, П. Армоэс, Й. Ля-Кур-Янсен, Э. Арван / под ред. С. В. Калюжного; пер. с англ. М. : Мир. 2004. 480 с.
2. Милютин В.В., Везенцев А.И., Соколовский П.В., Некрасова Н.А. Сорбция радионуклидов цезия из водных растворов на природных и модифицированных глинах.// Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. Вып. 5. С. 879-883.
3. Тарасевич Ю.И. Поверхностные явления на дисперсных минералах. Киев: Наукова думка, 2011. 390 с.
