научная статья по теме ПРИМЕНЕНИЕ МАКРОЦИКЛИЧЕСКИХ ПОЛИЭФИРОВ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА СУХОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ ОТ РАДИОНУКЛИДОВ Химия

Текст научной статьи на тему «ПРИМЕНЕНИЕ МАКРОЦИКЛИЧЕСКИХ ПОЛИЭФИРОВ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА СУХОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ ОТ РАДИОНУКЛИДОВ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 2, с. 82-90

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

УДК 544.135; 541.49

ПРИМЕНЕНИЕ МАКРОЦИКЛИЧЕСКИХ ПОЛИЭФИРОВ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА СУХОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ ОТ РАДИОНУКЛИДОВ

© 2015 г. И. В. Кумпаненко1*, А. В. Рощин1, Н. А. Иванова1, В. С. Григорьев2, И. Д. Эпинатьев1, А. В. Блошенко1, А. Е. Гончарова1

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова, Российской академии наук, Москва 2ГНУГОСНИТИ Россельхозакадемии, Москва *Е-таП: ivkumpan@chph.ras.ru Поступила в редакцию 27.01.2014

Изучен процесс очистки от ионов 137С8 и 90$г поверхности нержавеющей стали методом отслаивающихся полимерных пленок. Согласно этому методу экстрагирующий раствор поливинилбутираля в диоксане, содержащий различные краун-эфиры в качестве добавок, увеличивающих эффективность экстракции радионуклидов, наносится на поверхность. Полимерная пленка образуется на поверхности вследствие испарения растворителя из экстрагирующего раствора. После завершения процесса экстракции полимерная пленка, содержащая радионуклиды, удаляется и утилизируется. Исследован процесс экстракции ионов 137С8 и 90$г из нейтральных водных растворов анионитами АН-221 и АН-511, модифицированными краун-эфирами. Показано, что коэффициенты распределения при экстракции 137С§ возрастают в ряду 12-краун-4 < 18-краун-6 < дициклогексил 18-краун-6 < 15-краун-5, а при экстракции 9(0$г — в ряду 15-краун-5 < дициклогексил 18-краун-6 < 18-краун-6 < 12-краун-4. Проведено сопоставление структурных характеристик комплексов С8 и $г с краун-эфирами, взятых из Кэмбриджской базы структурных данных (версия 2013 г.), и данных по экстракции ионов С8 и из водных растворов. Обнаружено, что расстояния между двумя комплексообразующими атомами (0—С8 или 0—$г) уменьшаются с ростом соответствующих коэффициентов распределения. Для различных краун-эфиров измерены зависимости остаточной радиоактивности (137С8 и 90$г) от кратности процедуры нанесения/удаления полимерной пленки на поверхность/с поверхности. Обнаружено, что при добавлении к экстрагирующему раствору (полимерной пленке) краун-эфиров эффективность дезактивации возрастает на два порядка, причем при экстракции 137С8 наиболее эффективными добавками являются дициклогексил-18-краун-6 и 15-краун-5, а при экстракции

— 12-краун-4. Радиоактивность

поверхности после трехкратной обработки растворами (полимерными пленками) с такими добавками имеет значения, близкие к фоновым.

Ключевые слова: дезактивация, радионуклиды, полимерные пленки, экстракция краун-эфиры.

Б01: 10.7868/80207401X15020077

1. ВВЕДЕНИЕ

Дезактивация поверхностей объектов, подвергшихся радиоактивному загрязнению, является одной из первостепенных задач, связанных с развитием ядерной энергетики, особенно в условиях возможных аварийных ситуаций. К настоящему времени разработано множество технологий дезактивации поверхностей, которые различаются в зависимости от вида загрязненных объектов, морфологии и рельефа поверхности, уровня загрязнения, природы загрязнителей, условий проведения дезактивации и пр. Общий обзор технологий дезактивации содержится в монографии [1].

Способы дезактивации подразделяются на жидкостные и сухие. К первым из них относятся

дезактивация струей воды [2, 3] дезактивирующими растворами [4, 5], электрокинетическим методом [6], с помощью пен и гелей [7], выщелачиванием с использованием ионообменных смол [8], ультразвуком [9]. Ко вторым принадлежат способы дезактивации отслаиванием с помощью микроволнового нагрева [10], термосорбционной деконтаминацией [11], струями сверхкритических жидкостей или сжатых газов (углекислый газ, фреоны) [12], струей воздуха с абразивом [13], электрическим полем [14], лазерной абляцией [15], механическим снятием загрязненного слоя (скоблением, протиранием щетками, ветошью) [13, 16], с помощью наносимых и затем удаляемых полимерных пленок [14, 17—20].

Таблица 1. Экспериментальные значения коэффициентов распределения Б (мл/г) ионов в зависимости от времени контакта в системах кислотно-водный раствор + хроматографические неподвижные фазы, модифицированные ди-трет-бутилциклогексан-18-крауном-6 [23]

Подложка Время контакта, мин

10 30 60

АшЬегеЬгош СО-71 133 139 141

Триметилсилилированный кремнезем 72 74 74

АшЬегШе XAD-2 8 15 20

В настоящей статье представлены результаты исследований, посвященных разработке способа усовершенствования последнего из перечисленных методов сухой дезактивации поверхности, т.е. метода наносимых/удаляемых полимерных пленок. Детально эти результаты рассмотрены в разд. 4. В разд. 2 кратко описан метод и даны результаты проведенных нами исследований по повышению селективности извлечения ионов из растворов некоторых радиоактивных щелочных и щелочноземельных металлов с помощью макро-циклических полиэфиров, а в разд. 3 описаны структурные характеристики краун-эфиров, используемых в работе в качестве селективных ком-плексообразователей.

2. ЭКСТРАКЦИЯ РАДИОНУКЛИДОВ ИЗ РАСТВОРОВ

Повышение растворимости ионов щелочных и щелочноземельных металлов, к которым относятся такие распространенные "загрязняющие" радионуклиды, как 137С8 и 908г, в органических растворителях при добавлении в раствор циклических полиэфиров было впервые отмечено К.Д. Педерсеном [21]. Рост их растворимости объясняется высокими значениями констант устойчивости образующихся комплексов ионов с циклическими полиэфирами.

Из всех работ, посвященных исследованиям комплексообразования ионов таких металлов с гетероциклическими соединениями, для нас наибольший интерес представляют работы, в которых изучена экстракция ионов из растворов с помощью циклических полиэфиров, иммобилизованных на подложках с развитой поверхностью. Связано это с тем, что структурно система "подложка + нанесенный комплексообразователь о раствор, содержащий радионуклиды", близка к рассматриваемой в статье и описанной в разд. 4 системе "дезактивирующая полимерная пленка + комплек-сообразователь о дезактивируемая поверхность, содержащая радионуклиды".

Отметим, что ранее уже проводились исследования по извлечению щелочных и щелочноземельных ионов из растворов с помощью хромато-

графических неподвижных фаз с нанесенными на них краун-эфирами [22—24].

Например, в патенте [23] исследовалось влияние природы подложки на ее экстракционные характеристики по отношению к ионам Яа, Ва, 8г, Са после иммобилизации на ней ди-4,4'(5')[С3— С8-алкилциклогексан]18-краун-6, в частности ди-трет-бутилциклогексан- 18-краун-6. Экстракционная способность модифицированной подложки оценивалась по величине коэффициента распределения Б, рассчитываемого по формуле

Б =

- А V

V

(1)

где Л0 и Л^ — исходная и конечная активности раствора, содержащего радионуклиды; V — объем раствора (мл); Ж — вес сухой подложки (г).

Экстракция ионов из водного раствора проводилась в колонке, заполненной хроматографически-ми неподвижными фазами — АшЬегеИгош CG-71, триметил силилированный, кремнезем или Аш-ЬегШе XAD-2, модифицированными краун-эфи-ром ди-трет-бутилциклогексан-18-краун-6. Колонка имела стоп-клапан, расположенный перед выходным отверстием, позволяющий удерживать раствор, содержащий ионы, в объеме наполнителя необходимое время с целью регулирования времени контакта раствора с наполнителем. В водном растворе находилась также 2 М HNO3.

В табл. 1 показаны экспериментальные значения коэффициента распределения Б ионов 908г, измеренные при временах контакта раствора 10, 30 и 60 мин для различных подложек с нанесенным ди-трет-бутилциклогексан-18-краун-6. Из этой таблицы видно, что величины коэффициентов распределения сильно зависят от вида подложки, что можно объяснить конкуренцией процессов комплексообразования между ионом металла и молекулой краун-эфира либо наличием ионообменной группы. Со временем значения коэффициента Б растут, достигая предельных величин при временах порядка 1 ч, что указывает на относительно быстрое достижение равновесия в системе.

Значения коэффициентов распределения зависят не только от природы подложки, но и от

Таблица 2. Экспериментальные значения коэффициентов распределения D (мл/г) ионов 90Sr в системах кислотно-водный раствор + хроматографическая неподвижная фаза Bio-Rad AG 50W-X8, модифицированная краун-эфирами: 15-краун-5, 18-краун-6 и 21-краун-7 [24]

Краун-эфир Концентрация краун-эфира в воде, М

10 -3 10-2 10 -1

15 -краун-5 3.3 • 102 8.7 • 102 2.4 • 103

18 -краун-6 3.0 • 103 5.0 • 103 4.0 • 103

21 -краун-7 1.0 • 103 2.7 • 103 4.2 • 103*

* Величина D измерена при концентрации краун- эфира 4.0 • 10-2 М.

модифицирующего агента. В работе [24] исследовалось влияние концентрации краун-эфиров 15-краун-5, 18-краун-6 и 21-краун-7 в водном растворе на экстракцию из этого раствора ионов Ca, Sr, Ba и Ra сульфокислотными ионитами. Поскольку вышеупомянутые краун-эфиры водорастворимы, их предварительная иммобилизация на поверхности подложки с целью ее дальнейшего использования для экстракции ионов из водных растворов нецелесообразна из-за процесса вымывания эфира в раствор. Ввиду этого авторы [24] применили подход, в котором подложка ионита Bio-Rad AG 50W-X8 погружается в водный раствор, содержащий одновременно один из вышеуказанных краун-эфиров и экстрагируемые ионы; затем краун-эфиры адсорбируются на подложку, и устанавливается равновесие между его растворенной и адсорбированной формами. Адсорбированные краун-эфиры способствуют экстракции ионов из раствора.

Ионит с адсорбированными на его развитой поверхности циклическими полиэфирами показал высокую экстракционную способность по отношению к ионам Ca, Sr, Ba и Ra. Экстракция ионов в такой системе в статическом режиме продемонстрировала чрезвычайно высокие значения коэффициента распределения D. В табл. 2 представлены величины D для ионов 90Sr, измеренные при различных концентрациях краун-эфиров в водном растворе, содержащем 0.1 М HCl.

Отметим, что большинство экспериментов по экстракции ионов щелочных и щелочноземельных металлов гетероциклическими соединениями из водных растворов проводится в кислых средах [22—24], так как именно в таких средах наблюдаются максимальные вел

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»