Группа российских ученых из Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН и МГУ исследовала способность различных природных материалов поглощать радиоактивные элементы. Лучшими среди них оказались торф и бурый уголь: они эффективно сорбируют и удерживают различные радионуклиды, которые возникают в результате работы АЭС и содержатся в ядерных захоронениях. Результаты опубликованы в журнале Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry.
По данным Росэнергоатома в 2018 году в мире функционировало 454 ядерных реактора, 37 из которых находятся на территории РФ. Каждый из них обеспечивает электричеством огромное количество домов и предприятий, однако они также могут представлять серьезную опасность. Вред могут нанести не только аварии на станциях, но и ядерные отходы.
«Восстановление приповерхностных хранилищ и отвалов требует серьезной проработки и модернизации. Об этом свидетельствует наличие всем известных проблемных объектов: опасные загрязнения в Усолье-Сибирское Иркутской области, склон с радиоактивными отходами у Московского завода полиметаллов, озеро Карачай с радиоактивными отходами в Челябинской области. Проблема многих объектов — близость рек, озер, болот, а потому возникает необходимость применения фильтрационных барьеров для эффективной сорбции отдельных элементов-загрязнителей», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Петр Белоусов, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник ИГЕМ РАН.
Исследовательская группа из Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова поставила перед собой задачу: выявить такие природные сорбенты, которые не требуют сложной подготовки, будут дешевыми в использовании и безопасными для окружающей среды, а также имеют высокий коэффициент поглощения урана. Ученые отобрали минеральные и органические сорбенты: глауконит, цеолит, диатомит, торф, шунгит, каменный и бурый уголь. У всех образцов изучили физические свойства, минеральный и химический состав. После этого начались эксперименты по сорбции и десорбции радионуклидов урана, цезия, стронция и нептуния. Результаты показали, что максимальная сорбция урана происходит при нейтральных значениях рН, а в кислых и щелочных условиях интенсивность процесса снижается. У торфа и бурого угля оказались самые прочные связи с ураном. Это объясняется большим количеством кислородсодержащих функциональных групп на поверхности сорбентов, с которыми уран и образует сильные связи в составе комплексов. Однако использование торфа и бурого угля не будет панацеей от всего.
«Практически каждый радионуклид обладает своими специфическими свойствами, присущими только ему. Это касается и механизмов сорбции, и прочности связей с сорбентом, и влияния рН среды и многого другого. В то же время у каждого минерала есть свои структурные особенности, которые лучше подходят для того или иного радионуклида. Поэтому решение о применении материала принимается не только на основании его сорбционной способности, но и с учетом многих других факторов», — рассказывает Петр Белоусов.
Основной проблемой применения природных сорбентов на реальных очистительных объектах является их низкая стабильность: то есть они меняют свои физико-механические свойства во времени. В лабораторных условиях образцы минералов и горных пород могут показать высокие сорбционные характеристики, но в натурных экспериментах гранулы сорбента начинают разрушаться, образовывать коллоидальную фракцию, а поверхность фильтра начинает заиливаться, что приводит к постоянному снижению коэффициента фильтрации. Достоинством бурого угля является относительная прочность гранул, торф также имеет хорошую стабильность.
Для очистки загрязненных вод предполагается использовать технологию «Воронка и ворота» (от англ. «Funnel and Gate»). Она хорошо подходит для объектов с неконтролируемым потоком вод, например, грунтовых. По периметру объекта монтируется водонепроницаемая стенка (гидроизоляция), которая задает направление потока к проницаемому барьеру. Технология относится к пассивной системе очистки, то есть грунтовые воды естественным образом протекают к фильтрационному барьеру без помощи насосов. Помимо стабильности, органические сорбенты после отработки могу сжигаться, что значительно упростит задачу утилизации отработанных фильтров.
Результаты проекта вызвали интерес у производственных компаний, добывающих природные сорбенты. На данный момент ученые начали сотрудничество с компанией ЦеоТрейдРесурс, которая занимается разработкой Хотынецкого месторождения (Орловская область). Результаты экспериментов показали эффективность данного минерального сырья для сорбции некоторых радионуклидов, тяжелых металлов и органических загрязнителей.
Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 18-77-00015 «Инновационные сорбционные фильтрационные композиции для решения вопросов обеспечения безопасности объектов ядерного наследия».