Сорбент для селективного вилучення цезію з водних розчинів

Реферат: Винахід належить до галузі обробки радіоактивних водних середовищ для вилучення та 137 концентрування стабільних іонів цезію та радіоактивного ізотопу Cs з водних середовищ із UA 106865 C2 (12) UA 106865 C2 низьким рівнем радіоактивності. За основу модифікованого сорбенту взято гідролізний лігнін, а висока селективність вилучення цезію досягається за рахунок імпрегнування до основи сорбенту органічного ліганду - 25,27-біс(1-октилокси)калікс[4]арен-краун-6. Оптимальний вміст ліганду у сорбенті становить 5-7 % мас. Винахід може бути використано для вилучення та l37 концентрування стабільних іонів цезію та радіоактивного ізотопу Cs з водних середовищ рідких відходів ядерно-паливного циклу; рідких відходів підприємств, які спеціалізуються на переробці радіоактивних речовин, наукових та медичних установ; екологічних об'єктів, що були забруднені внаслідок техногенних катастроф. UA 106865 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі обробки водних середовищ з низьким рівнем радіоактивності 137 для вилучення та концентрування стабільних іонів цезію та радіоактивного ізотопу Cs. 137 Радіоактивний ізотоп Cs з періодом напіврозпаду біля 30 років є одним із основних компонентів радіоактивного забруднення навколишнього середовища. Завдяки тому, що хімічні 137 властивості іонів цезію та калію дуже подібні, ізотоп Cs легко накопичується в тканинах та може призводити до радіаційного ураження організму. Ці фактори сприяють значній увазі до проблеми розвитку ефективних способів вилучення цезію з радіоактивних відходів та забруднених об'єктів довкілля. На даний момент розроблено низку підходів до проблеми видалення цезію із рідких радіоактивних відходів та водних розчинів, зокрема: екстракційні технології, методи із застосуванням сорбційних та іонообмінних матеріалів, співосаджування тощо. Сорбційні методи займають особливе місце, оскільки не потребують використання екологічно небезпечних органічних розчинників та дозволяють мінімізувати кількість вторинних відходів. Основною перешкодою при використанні сорбційних матеріалів для зв'язування іонів цезію є їх недостатня селективність по відношенню до іонів - макрокомпонентів водних середовищ. Ця проблема може бути вирішена за допомогою модифікації сорбентів специфічними лігандами або речовинами, здатними до селективного іонного обміну. Відомий композиційний матеріал для очищення водних середовищ від радіонуклідів цезію та нафтопродуктів, що складається з полімерної матриці та селективного до іонів цезію неорганічного сорбенту (Патент РФ № 2231838, G21F9/12, B01J20/22). Основою матеріалу є волокнистий поруватий поліетилен, модифікований фероціанідом ніколу та мікрофлорою, що здатна до окислення нафтопродуктів. Він може бути застосований для очистки відходів із великим вмістом органічних речовин. Коефіцієнт розподілу цезію між сорбентом та розчином 3 при контакті впродовж двох місяців може сягати до 18000-20000 см /г. Недоліком цього матеріалу є неоднорідність розподілу селективного до цезію компоненту та токсичність ціанідів, що входять до його складу. Відомий органо-мінеральний сорбент на основі природних цеолітів розміром менш за 60 мкм, поверхня яких вкрита плівкою синтетичних полімерів (патент РФ № 2284857, B01J20/18, B01J20/26, B01J20/32), при цьому вміст цеоліту в сорбенті складає 90-98 мас. %. Для його отримання полімеризують олефіни на поверхні частинок тонкодисперсного цеоліту під дією каталітичної системи, що складається з металовмісного каталізатору та алюмоксану, який ковалентно прив'язано до поверхні мінералу. Частки цеоліту можна покрити шаром поліетилену 5 4 з молекулярною масою 10 або шаром поліпропілену з молекулярною масою більше за 10 . Основними недоліками цього відомого органо-мінерального сорбенту є його низька селективність та сорбційна ємність. Відомий сорбційний матеріал для вилучення цезію (патент США № 6616860 В01J 20/02), основою якого є біополімер - гель альгінату кальцію. Селективна сорбція цезію досягається за рахунок іонного обміну на неорганічних речовинах, поміщених в середовище гелю: молібдофосфаті амонію, вольфрамофосфаті амонію або гексаціанофераті (II) купруму (II). Основним недоліком відомого сорбційного матеріалу є механічна і хімічна нестабільність основи - гелю альгінату кальцію (за рахунок втрати води або біологічного розкладання). Прототипом як найбільш близький за технічною сутністю до запропонованого модифікованого сорбенту вибрано останній з наведених аналогів. В основу винаходу поставлено задачу розробки високоефективного селективного сорбенту для вилучення іонів цезію з водних середовищ. Вирішення поставленої задачі забезпечується розробкою сорбенту для селективного вилучення цезію з водних середовищ, що складається з основи та модифікатора, який згідно винаходу, як основу містить гідролізний лігнін, як модифікатор - 25,27-біс(1октилоксі)калікс[4]арен-краун-6, при цьому вміст модифікатора становить 5-7 % від маси сорбенту. Використання гідролізного лігніну дозволяє значно спростити та здешевити собівартість одержання високоефективного сорбенту для селективного вилучення цезію з водних розчинів. Гідролізний лігнін - дешевий, нетоксичний, доступний у великих кількостях матеріал, який є продуктом (відходами) переробки деревини хвойних порід. Крім того, гідролізний лігнін містить велику кількість активних функціональних груп, має розвинуту порувату поверхню, завдяки чому його досить легко хімічно модифікувати. Імпрегнування до основи (гідролізного лігніну) органічного ліганду 25,27-біс(1октилокси)калікс[4]арен-краун-6 (DOCC-1) забезпечує створення сорбенту, який має високі показники селективності. 1 UA 106865 C2 5 В ході досліджень було встановлено оптимальний вміст органічного ліганду DOCC-1 у сорбенті (5-7 % від маси сорбенту) для максимально повного вилучення цезію з водних розчинів. Зменшення або збільшення встановленої концентрації приводить до зниження ефективності роботи сорбенту (зниження ступеня вилучення цезію). В таблиці 1 наведено характеристики вилучення цезію із модельного водного розчину на основі природної води в статичному режимі. Таблиця 1 Сорбент Ступінь вилучення Коефіцієнт розподілу (k d) Сорбційна ємність + + Cs /Na + + Cs /K Коефіцієнти + 2+ Cs /Ca селективності + 2+ Cs /Mg + 2+ Cs /Sr 10 15 20 25 30 35 40 45 Лігнін+DOCC-1 90 % 3 900 см /г 3,1 мг/г Присутність іонів натрію на ступінь вилучення не впливає Присутність іонів калію на ступінь вилучення не впливає 11 34 22 На кресленні показано залежність залишкової концентрації цезію від об'єму модельного розчину цезію на основі природної води, пропущеного через колонку з сорбентом. Спосіб одержання сорбенту для селективного вилучення цезію з водних розчинів із вмістом органічного ліганду (DOCC-1) 5 % мас. 3 Наважку DOCC-1 масою 0,5 г розчиняють у 25 см дихлорметану (СН2Сl2). Отриманим розчином ретельно змочують наважку 9,5 г гідролізного лігніну, розтертого до однорідного стану. Добре перемішану суміш висушують при температурі 30-40 °C до повного випаровування розчинника. Отриманий сорбент потім витримують при 50-60 °C протягом двох годин. Процес селективного вилучення іонів цезію (стабільної суміші ізотопів або радіонукліду 137 Cs) із водних розчинів, які їх містять, полягає у: 1) статичному контакті водного розчину з сорбентом протягом деякого часу з наступним відокремленням сорбенту; 2) пропусканні розчину через шар сорбенту, поміщеного у колонку. Реалізацію винаходу показано на наступних прикладах. Приклад 1. Вилучення стабільних іонів цезію із модельного розчину на основі дистильованої води у статичному режимі при кімнатній температурі. 3 Наважку сорбенту (лігнін+DOCC-1) масою 0,2 г поміщають у хімічний стакан, додають 20 см 3 розчину цезію з концентрацією 5 мг/дм . Отриману суміш струшують протягом 30 хвилин, після чого відокремлюють розчин від сорбенту шляхом фільтрування. Визначають залишкову концентрацію цезію та розраховують характеристики сорбції: ступінь вилучення становить 96 %, 3 сорбційна ємність - 6,2 мг/г, коефіцієнт розподілу (k d) - 2100 см /г. Приклад 2. Вилучення стабільних іонів цезію із модельного розчину на основі природної води у статичному режимі при кімнатній температурі. Модельний розчин цезію готують на основі природної води з наступною концентрацією 3 + + 2+ 2+ 2+ катіонів-макрокомпонентів (мг/дм ): Na - 75, K - 7, Са - 88, Mg - 22, Sr - 0,97. Наважку 3 сорбенту масою 0,2 г поміщають у хімічний стакан, додають 20 см розчину цезію з 3 концентрацією 5 мг/дм . Отриману суміш струшують протягом 30 хвилин, потім відокремлюють розчин від сорбенту шляхом фільтрування. Визначають залишкову концентрацію цезію та розраховують характеристики сорбції (див. табл. 1). Приклад 3. Вилучення стабільних іонів цезію із модельного розчину на основі природної води у динамічному режимі при кімнатній температурі. Модельний розчин цезію готують на основі природної води з наступною концентрацією 3 + + 2+ 2+ 2+ катіонів-макрокомпонентів (мг/дм ): Na - 75, K - 7, Са - 88, Mg - 22, Sr - 0,97. Концентрація 3 цезію в модельному розчині становить 5 мг/дм . В скляну колонку діаметром 1 см поміщають 3 г сорбенту, висота шару сорбенту в колонці становить 4 см. Модельний розчин цезію на основі 3 природної води пропускають через колонку зі швидкістю 2 см за хвилину. Визначають залишкові концентрації цезію в розчинах, які пройшли через колонку. Результати експерименту продемонстровано на фігурі. 137 Приклад 4. Вилучення радіонукліду Cs із модельного розчину на основі природної води у динамічному режимі при кімнатній температурі. Модельний розчин цезію готують на основі природної води з наступною концентрацією 3 + + + + + катіонів-макрокомпонентів (мг/дм ): Na - 75, K - 7, Са - 88, Mg - 22, Sr - 0,97. Початкова 2 UA 106865 C2 137 5 10 3 активність Cs в модельному розчині складає 630 Бк/дм . В скляну колонку діаметром 1 см поміщають 3 г сорбенту, висота шару сорбенту в колонці становить 4 см. Модельний розчин 3 3 цезію на основі природної води (150 см ) пропускають через колонку зі швидкістю 2 см на 137 3 хвилину. Вимірюють залишкову активність модельного розчину Cs - 1,9 Бк/дм . Розроблений модифікований сорбент - високоефективний, селективний матеріал для 137 вилучення стабільних іонів цезію та радіоактивного ізотопу Cs з водних розчинів. Сорбент зручний при підготовці до роботи та при використанні, забезпечує можливість очищення водних розчинів у статичному і динамічному режимах. Винахід може бути використано для вилучення та концентрування стабільних іонів цезію та 137 радіоактивного ізотопу Cs з водних середовищ рідких відходів ядерно-паливного циклу; рідких відходів підприємств, які спеціалізуються на переробці радіоактивних речовин, наукових та медичних установ; екологічних об'єктів, що були забруднені внаслідок техногенних катастроф. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 Сорбент для селективного вилучення цезію з водних середовищ, що складається з основи та модифікатора, який відрізняється тим, що як основу містить гідролізний лігнін, як модифікатор 25,27-біс(1-октилокси)калікс[4]арен-краун-6, при цьому вміст модифікатора становить 5-7 мас. % від маси сорбенту. Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3