Барьерные материалы и перспективные сорбенты

Аннотация:

Актуальной проблемой ядерной энергетики является разработка методов обращения с различными по составу радиоактивными отходами (РАО) и способы изоляции их от биосферы.

Одними из технологичных методов обращения с водными растворами, содержащими радионуклиды, являются сорбционные методы, позволяющие выделить либо разделить необходимые компоненты раствора. Научной задачей работ в рамках данного направления является разработка научных основ технологий применения различных перспективных наноматериалов, для эффективного извлечения долгоживущих радионуклидов (актинидов и основных продуктов деления) из водных растворов различного состава. На данный момент ведется исследование таких наноматериалов, как оксид графена, различные фосфаты РЗЭ, оксид титана и др.

В соответствии с требованиями радиационной̆ безопасности и международными нормами обращения с РАО, при их изоляции требуется создание мультибарьерной системы безопасности. Материал инженерного барьера должен ограничивать поступления природной воды в хранилище, снижать уровни коррозии контейнеров и матриц, включающих РАО, а также ограничивать миграцию радионуклидов окружающую среду. Одним из наиболее перспективных компонентов инженерных барьеров считаются бентонитовые глины (бентониты), обладающие высокими сорбционными свойствами и низкой водопроницаемостью, а также различные композиционные материалы на их основе. В рамках данного направления работы исследуются сорбционных и миграционных свойства различных барьерных материалов: глинистых минералов и компонентов вмещающих пород.


Основные научные результаты:

  • Подробно исследуется взаимодействие радионуклидов с оксидом графена (ОГ). Было показано, что взаимодействие радионуклидов при сорбции на ОГ предпочтительно происходит с карбоксильными группами, расположенными в дефектах на плоскости листа. На основании этого результата был синтезирован ОГ с преимущественно карбоксильными группами на поверхности, что привело к увеличению сорбции радионуклидов более, чем в 15 раз. Для минимизации объёма образца и дальнейшего захоронения радионуклида, индивидуально для каждого изученного элемента были подобраны условия отжига ОГ после сорбции.
  • Показано, что увеличение рН системы бентонитовая глина/вода повышает сорбцию Np(V) и Eu(III), при этом практически не влияет на сорбцию Cs(I). Повышение ионной силы раствора понижает сорбцию Cs(I) и Eu(III) и практически не влияет на сорбцию Np(V). Установлено, что основными химическими реакциями, протекающими на границе раздела фаз бентонитовая глина/вода для Сs(I) является ионный обмен, для Np(V) наиболее характерно комплексообразование с краевыми центрами, а Eu(III) сорбируется по обоими механизмам. Проведено термодинамическое моделирование полученных экспериментальных зависимостей сорбции радионуклидов, в результате чего были рассчитаны константы равновесия сорбционных реакций
  • Показано, что сорбция Cs(I) меняется в зависимости от индивидуальных особенностей бентонитовых глин и значительно зависит от степени гетеровалентных замещений в тетраэдрической подрешетке смектита. Установлено, что присутствие примеси гетита в составе глин приводит к значительному повышению сорбции Np(V) и Eu(III), но не оказывает влияние на сорбцию цезия. При этом наличие конкурирующих катионов в растворе значительно понижает сорбцию Cs(I).
  • Был определен вклад каждого отдельного минерала в сорбцию радионуклидов на поверхности гранита, а также разработан полуавтоматический подход к обработке снимков радиографических данных.

Избранные публикации:

1. N. Boulanger, A.S. Kuzenkova, A. Iakunkov, A. Romanchuk, A.L. Trigub, A.V. Egorov, S. Bauters, L. Amidani, M. Retegan, K.O. Kvashnina, S.N. Kalmykov, A.V. Talyzin. Enhanced sorption of radionuclides by defect-rich graphene oxide // ACS applied materials & interfaces, 2020, DOI: 10.1021/acsami.0c11122 (Импакт-фактор: 8,758)
2. A. Kuzenkova, A.Yu. Romanchuk, A.L. Trigub, K.I. Maslakov, A.V. Egorov, A. Amidani, C. Kittrell, K.O. Kvashnina, J.M. Tour, A.V. Talyzin, S.N. Kalmykov. New insights into the mechanism of graphene oxide and radionuclide interaction // Carbon, 2020, DOI 10.1016/j.carbon.2019.10.003 (Импакт-фактор: 7,466)
3. P.K. Verma, A.S. Semenkova, V.V. Krupskaya, S.V. Zakusin, P.K. Mohapatra, A.Yu. Romanchuk, S.N. Kalmykov. Eu(III) sorption onto various montmorillonites: Experiments and modeling // Applied Clay Science, 2019, DOI: 10.1016/j.clay.2019.03.001 (Импакт-фактор: 3,641)
4. V.G. Petrov, I.E. Vlasova, A.A. Rodionova, V.O. Yapaskurt, V.V. Korolev, V.A. Petrov, V.V. Poluektov, H. Jörg, S.N. Kalmykov. Preferential sorption of radionuclides on different mineral phases typical for host rocks at the site of the future Russian high level waste repository // Applied Geochemistry, 2019, DOI: 10.1016/j.apgeochem.2018.11.007 (Импакт-фактор: 2.903)
5. A.S. Semenkova, A.Yu. Romanchuk, V.V. Krupskaya, B.V. Pokidko, O.V. Dorzhieva, A.V. Sobolev, I.A. Presnyakov, P.K. Verma, P.K. Mohapatra, S.N. Kalmykov. Np(V) uptake by various clays // Applied Geochemistry, 2018, DOI: 10.1016/j.apgeochem.2018.02.006 (Импакт-фактор: 2,58)
6. P.K. Verma, A.Yu. Romanchuk, I.E. Vlasova, V.V. Krupskaya, S.V. Zakusin, A.V. Sobolev, A.V. Egorov, P.K. Mohapatra, S.N. Kalmykov. Np(V) uptake by bentonite clay: Effect of accessory Fe oxides/hydroxides on sorption and speciation // Applied Geochemistry, 2017, DOI: 10.1016/j.apgeochem.2016.12.009 (Импакт-фактор: 2,58)
7. A.Yu. Romanchuk, A.S. Slesarev, S.N. Kalmykov, D.V. Kosynkin, J.M. Tour. Graphene oxide for effective radionuclide removal // Physical Chemistry Chemical Physics, 2013, DOI: 10.1039/C2CP44593J (Импакт-фактор: 3,829)