Дослідження кінетики сорбції 90Sr і 137Cs природним, кислотно- та лужно-модифікованим кліноптилолітами Сокирницького родовища

Б. Г. Шабалін¹, К. К. Ярошенко¹, І. Л. Колябіна^1,2

¹ДУ «Інститут геохімії навколишнього середовища НАН України»,
прoсп. Палладіна, 34а, Київ, 03142, Україна
²Інститут геологічних наук НАН України,
вул. О. Гончара, 55б, Київ, 01054, Україна

DOI: doi.org/10.31717/2311-8253.20.1.10

Анотація

Вибір і впровадження ефективної й екологічно безпечної технології очищення рідких радіоактивних відходів (РРВ) українських АЕС є актуальним, оскільки діюча на АЕС схема переробки РРВ має чимало суттєвих недоліків. Однією з таких технологій вважається сорбційно-осадова з використанням природних або модифікованих мінеральних сорбентів, зокрема цеолітів, які мають молекулярно-ситові та сорбційно-селективні властивості до низки радіонуклідів. У статті наведено результати дослідження сорбції ⁹⁰Sr і ¹³⁷Cs природним, кислотно- та лужно-модифікованим цеолітами Сокирницького родовища з модельних розчинів РРВ та визначено форми знаходження сорбованих радіонуклідів. Основним мінералом у складі цеолітових порід є кліноптилоліт — 70 ± 3 мас. % із домішками кварцу та слюди у кількостях ~12 та <3 % відповідно. Показано, що в процесі модифікації цеоліту відбувається перерозподіл обмінних катіонів і вмісту катіонів у ґратці кліноптилоліту. Природний цеоліт належить до калій-кальцій-натрієвих кліноптилолітів, натрій модифікований цеоліт — натрій-калій-кальцієвих, а кислотно модифікований — калій-натрій-кальцієвих. Відношення Si/Al збільшується у ряду: цеоліт природний ​\( \to \)​ цеоліт натрій модифікований ​\( \to \)​ цеоліт кислотно-модифікований. Установлено, що модифікація кліноптилоліту натрієм не лише підвищує температурну стійкість, але й збільшує адсорбцію радіонуклідів ⁹⁰Sr і ¹³⁷Cs з модельних розчинів РРВ. Ізотерми іонного обміну показують, що селективність натрієвої форми кліноптилоліту щодо досліджуваних радіонуклідів є вищою, ніж селективність природного і кислотно-модифіко-ваного кліноптилолітів. Максимальний ступінь сорбції ⁹⁰Sr природним цеолітом протягом експерименту (14 діб) становить 55 %, ¹³⁷Cs — 90 %, лужно-модифікованим для ⁹⁰Sr — 62,2 %, а ¹³⁷Cs — 98,78 %, кислотно-модифікованим ⁹⁰Sr — 18 %, а ¹³⁷Cs — 85 %. Аналіз отриманих результатів дає підстави рекомендувати цеоліт Сокирниць-кого родовища і його натрієві форми як ефективні сорбенти радіонуклідів із РРВ у разі запровадження сорбційно-осадової технології.

Ключові слова: рідкі радіоактивні відходи, сорбція, цезій, стронцій, кліноптилоліт, цеоліт.

Список використаної літератури

1. Закон України «Про внесення змін до деяких законодавчих актів України щодо удосконалення законодавства з питань поводження з радіоактивними відходами» № 208-IX від 17.11.2019 р. // Офіційний вісник України. — 2019. — № 89. — С. 7.

2. Тарасевич Ю. И. Природные сорбенты в процессах очистки воды / Ю. И. Тарасевич. — Київ : Наук. думка, 1981 р. — 206 с.

3. Moratis D. Ion exchange equilibrium and structural changes in clinoptilolite irradiated with в- and y-radiation: monovalent cations / D. Moratis, G. E. Christidis, V. Perdikatsis // The American mineralogist. — 2007. — Vol. 92. — P. 1714-1730.

4. Милютин В. В. Сорбционно-селективные характеристики неорганических сорбентов и ионообменных смол по отношению к цезию и стронцию / В. В. Милютин, В. М. Гелис, Р. А. Пензин // Радиохимия. — 1993. — Т. 35, № 3. — С. 76-82.

5. Кузнецов Л. К. Технология фильтрования в физикохимических процессах водоподготовки / Л. К. Кузнецов // Башкирский химический журнал. — 2009. — Т. 16, № 2. — С. 84-92.

6. Цицишвили Г. В. Природные цеолиты / Г. В. Цицишвили, Т. Г. Андроникашвили, Г. Н. Киров, Л. Д. Филозова. — М. : Химия, 1985. — 396 с.

7. Minato J. Alkali-Hydrothermal Modification of Air-Classified Korean Natural Zeolite and Their Ammonium Adsorption Behaviors / J. Minato, Y.-L. Kim, H. Yamada, [at al.] // Separation science and technology. — 2004. — Vol. 39. — No. 16. — P. 3739-3751.

8. Jozefaciuk G. Effect of acid and alkali treatments on surface-charge properties of selected minerals / G. Jozefaciuk // Clays Clay Minerals. — 2002. — Vol. 50. — P. 647-656.

9. Еколого-експертна оцінка матеріалів оцінки впливу на навколишнє середовище (ОВОС) «Розробка та гірничотехнічна рекультивація Сокирницького родовища (ділянка, розташована між 8 та 11 розрізами) цеолітів в Хустському районі Закарпатської області», 15.12.2017 р. — 18 с.

10. Иванова В. П. Термический анализ минералов и горных пород / В. П. Иванова, Б. К. Касатов, Т. Н. Красавина, Е. Л. Розинова. — Л. : Недра, 1974. — 399 с.

11. Powder diffraction file 2003. PDF-2, Database, Sef. 1-89.

12. Brindky G. W. Crystal structures of clay minerals and their X-ray identification / G. W. Brindky, G. Brown. — London : Miner. soc, 1980. — 495 p.

13. Рентгенография основных типов породообразующих минералов (слоистые и каркасные силикаты) / под ред. В. А. Франк-Каменецкого. — Л. : Недра, 1983 г. — 359 с.

14. Методы определения микроэлементов в природных объектах. — М. : МГУ, 1968. — 400 с.

15. Deer A. Rock Forming Minerals. Framework Silicates: Silica Minerals, Feldspathoids and the Zeolites. Vol. 4B / A. Deer, R. Howie, W. S. Wise, J. Zussman. — London : The Geological Society, 2004. — 982 p.

16. Соботович Э. В. Геохимия техногенных радионуклидов / Э. В. Соботович, Г. Н. Бондаренко, Л. В. Кононенко [и др.]. — Киев : Наукова думка, 2002. — 333 с.

17. Полуэктов Н. С. Аналитическая химия стронция / Н. С. Полуэктов, В. Т. Мищенко, Л. И. Кононенко, C. В. Бельтюкова. М. : Наука, 1978. — 224 с.

18. Vaughan D. E. W. Properties of Natural Zeolites / D. E. W. Vaughan, L. B. Sand, F. A. Mumpton // Natural Zeolites: Occurrence, Properties, Use. — Elmsford, New York : Pergamon Press, 1978. — P. 353-371.

19. Челищев Н. Ф. Цеолиты — новый тип минерального сырья / Н. Ф. Челищев, В. Г. Беренштейн, В. Ф. Володин. — М. : Недра, 1987. — 176 с.

20. Ярошенко К. К. Сорбція 90Sr і 137Cs з модельних розчинів рідких радіоактивних відходів природним та модифікованим цеолітами Сокирницького родовища / К. К. Ярошенко, Б. Г. Шабалін, І. Л. Колябіна, Г. М. Бондаренко // Геохімія техногенезу». — 2019. — Вип. 2 (30). — 308-313.

21. Лыгина Т. З. Рациональный комплекс методов изучения состава и свойств природных сорбентов как основа выбора инновационных технологий переработки и перспективных направлений использования минерального сырья / Т. З. Лыгина, О. А. Михайлова, Н. И. Наумкина [и др.] // Георесурсы. — 2015. — Т. 1, № 4 (63). — С. 57-61.

22. Wilson M. J. Clay Mineralogy / M. J. Wilson. — New York : Chapmann and Hall, 1994. — 95 p.

23. Nakamato K. Infra-red spectra of inorganic and coordination compounds / K. Nakamato. — New York : Wiley, 1981. — 411 p.

24. Пушкарева Е. К. Исследование механизма пропитки бетона гидроизоляционными растворами проникающего действия / Е. К. Пушкарева, Е. В. Савченко // Збірник наукових праць УкрДУЗТ. — 2017. — Вип. 169. — C. 95-103.

25. Пузырная Л. Н. Иммобилизация радиоактивных солей кубовых остатков в керамических матрицах / Л. Н. Пузырная, Г. П. Пшинко // Химия и технология воды. — 2012. — Т. 34, № 1. — С. 84-97.

26. Федоренко Ю. Г. Поглощение солевого имитата трапных вод АЭС глинополимерными нанокомпозитами с наполнителем / Ю. Г. Федоренко, А. Н. Розко, Б. Г. Шабалін // Пошукова та екологічна геохімія. — 2013. — Т. 13, № 1. — С. 9-13.