Тип работы:
Предмет:
Язык работы:


ФЕРРОЦИАНИДНЫЕ СОРБЕНТЫ НА ОСНОВЕ ГИДРАТИРОВАННОГО ДИОКСИДА ТИТАНА ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ И ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Работа №101728

Тип работы

Авторефераты (РГБ)

Предмет

химия

Объем работы24
Год сдачи2013
Стоимость250 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
22
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Выводы
Основные публикации по теме диссертации

Актуальность работы. В современном мире состояние энергетики является одним из ключевых параметров благосостояния и процветания каждой из стран, при этом существование и дальнейшее развитие атомной энергетики в ближайшие десятилетия является неизбежным. Двумя основными проблемами атомной энергетики являются вопросы безопасности эксплуатации ядерных установок и проблемы обращения с радиоактивными отходами (РАО). Даже полный отказ от атомной энергетики не снимет проблемы, связанные с обращением с облученным ядерным топливом (ОЯТ) и РАО. Основной вклад в удельную активность жидких радиоактивных отходов (ЖРО), образующихся при переработке ОЯТ, вносят долгоживущие радионуклиды 137С8 и 90Бг. Согласно концепции, разработанной МАГАТЭ, РАО любого агрегатного состояния должны быть переведены в отверждённые формы. Перспективным методом переработки ЖРО может стать совместное фракционное выделение цезия и стронция из ЖРО с использованием неорганических сорбентов, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к матричным материалам и пригодных для окончательного захоронения. Такой метод выделения может обеспечить высокую прочность удерживания радионуклидов в иммобилизированных продуктах и позволит хранить долгоживущие радионуклиды в минимальном объёме. На кафедре радиохимии и прикладной экологии УрФУ разработан способ получения и исследованы некоторые сорбционные свойства поверхностно-модифицированных сорбентов, представляющих перспективы для решения задач переработки ЖРО.
Данная работа посвящена исследованию закономерностей поверхностного модифицирования гидратированного диоксида титана ферроцианидами, выявлению роли модифицирования в получении высокоспецифичных, селективных сорбентов, обладающих устойчивостью к выщелачиванию радионуклидов, исследованию химизмов сорбции цезия и стронция, разработке способов практического применения сорбентов для дезактивации различных типов ЖРО, радиохимического анализа, а также изучению возможности использования ферроцианидных сорбентов на основе гидратированного диоксида титана в качестве матрицы для иммобилизации радионуклидов с целью их долговременного хранения или окончательного захоронения.
Работа выполнена по программе Министерства образования и науки РФ в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы» (соглашение № 14.A18.21.0313), по заказу Федерального агентства по образованию в рамках проектов «Системный анализ и моделирование закономерностей межфазного распределения вещества в процессах синтеза, исследования свойств и применения новых сорбционных материалов» и «Теоретическое и экспериментальное исследование процессов поверхностного модифицирования сорбционно-активных носителей и применения сорбентов на их основе», а также при поддержке индивидуального гранта на проведение научных исследований молодыми учёными УрФУ № 2.1.1.1./32 в рамках выполнения п. 2.1.1.1. Плана реализации мероприятий Программы развития УрФУ на 2010 - 2020 годы.
Цель работы. Разработка поверхностно-модифицированных ферроцианидных сорбентов для концентрирования и иммобилизации радионуклидов, переработки жидких радиоактивных отходов. В соответствии с поставленной целью, в работе решаются следующие задачи:
- с применением физико-химических методов исследовать и описать процессы, протекающие при поверхностном модифицировании гидратированного диоксида титана ферроцианидами, идентифицировать образующиеся соединения;
- определить химизмы сорбции цезия смешанным ферроцианидом никеля- калия на основе гидратированного диоксида титана, выявить факторы, обуславливающие высокую специфичность и ёмкость сорбента;
- изучить селективность сорбента к цезию и стронцию на фоне элементов- аналогов, выявить возможность извлечения других долгоживущих радионуклидов;
- оценить возможность применения сорбента для дезактивации ЖРО различного состава, в качестве матрицы для иммобилизации цезия и стронция, для концентрирования цезия в методах радиохимического анализа природных вод и технологических растворов.
Научная новизна работы
1. Впервые с применением физико-химических методов исследования определены закономерности термического и поверхностного химического модифицирования гидратированного диоксида титана ферроцианидами. Экспериментально доказано, что перевод исходного сорбента Т-5 в Н+-Ма+-форму протекает по ионообменному механизму, а при насыщении сорбента Т-5 никелем происходит хемосорбция никеля с его локальным гидролизом. Установлено, что оптимизация количества равномерно распределенных центров кристаллизации приводит к образованию высокодисперсной фазы ферроцианида никеля-калия (удельная поверхность составляет до 130 м2/г), что обеспечивает большее количество доступных для цезия сорбционных центров. Показано, что в фазе сорбента, в зависимости от концентрации ферроцианида калия, могут образовываться такие труднорастворимые соединения как К2№[Ре(С^6], К2№3[Ре(С^6]2, К2(ТЮ)[Ре(СМ)б] и молекулярно адсорбированный ферроцианид калия К4ре(СМ)б.
2. Установлено, что наиболее вероятным химизмом сорбции цезия в области концентраций более 50 мг/л является осаждение смешанного ферроцианида никеля-цезия в поровом пространстве сорбента, что обуславливает высокую ёмкость (до 270 мг/г) сорбента по отношению к цезию; показана возможность направленного синтеза сорбентов, обладающих высокой специфичностью и емкостью.
3. Установлено влияние концентрации цезия в растворе на селективность сорбции в присутствии N4/. Впервые показано, что в определённых областях концентраций цезия и аммония, соответственно в парах 2-10-7^5-10-4мг/л и до 0,01 моль/л; 5-10-3^5 мг/л и до 0,1 моль/л, влияние аммония на сорбцию цезия отсутствует, и сорбция цезия и аммония протекает по независимым механизмам. При более высоких концентрациях компонентов ион аммония выступает конкурентом при сорбции цезия, что приводит к снижению коэффициента распределения цезия. При концентрации цезия в растворе более 50 мг/л цезий и аммоний поглощаются совместно за счёт соосаждения в фазе смешанных ферроцианидов в поровом пространстве сорбента.
4. Показано, что сорбент Т-55 является эффективной матрицей для иммобилизации радионуклидов цезия и стронция. Впервые определены скорости выщелачивания цезия и стронция из насыщенных радионуклидами образцов различными типами вод в условиях длительного хранения. При использовании в качестве выщелачивателя дистиллированной воды скорости выщелачивания составляют для цезия от 3,7-10-10до 8,2-10-12г/(см2-сут), для стронция от 1,8-10-10до 1,2-10-12 г/(см2-сут); при использовании в качестве выщелачивателя водопроводной воды для стронция - от 1,4-10-11до1,5-10-12г/(см2-сут).
Практическая значимость.
1. Результаты исследования свойств смешанного ферроцианиада никеля-калия на основе гидратированного гироксида титана позволяют рекомендовать его для переработки жидких радиоактивных отходов различного состава (кислых, щелочных, высокосолевых, содержащих ПАВ и комплексообразователи); предложен способ применения.
2. Впервые определены скорости выщелачивания цезия и стронция из насыщенных радионуклидами образцов различными типами вод в условиях длительного хранения. Показано, что сорбент является надёжной матрицей, пригодной для иммобилизации радионуклидов цезия и стронция, позволяющей обеспечивать низкие скорости выщелачивания радионуклидов в условиях долговременного хранения или окончательного захоронения иммобилизированных радионуклидов.
3. С использованием смешанного ферроцианиада никеля-калия на основе гидратированного гироксида титана предложен метод анализа природных вод на радионуклиды цезия, а также разработаны подходы и предложена схема определения суммарной удельной а-активности вод и донных осадков бассейнов выдержки БАЭС в условиях высокой суммарной ß-активности фаз, обусловленной наличием радионуклидов 137Cs, 90Sr и 90Y.
Личный вклад автора состоит в анализе литературных источников по исследуемой проблеме, формулировке цели работы и решаемых задач, разработке основных методик проведения экспериментов и их постановке, математической обработке, обобщении и анализе экспериментальных данных, предложении рекомендаций по практическому использованию полученных сведений. Ряд экспериментальных данных получен совместно с соавторами опубликованных работ.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования процессов, протекающих при поверхностном модифицировании гидратированного диоксида титана ферроцианидами, идентификации сорбционных центров смешанного ферроцианида никеля-калия на основе гидратированного диоксида титана (сорбента Т-55).
2. Совокупность результатов теоретических и экспериментальных исследований химизмов сорбции цезия сорбентом Т-55, оценки их влияния на специфичность и ёмкость сорбента.
3. Результаты исследования селективности сорбции цезия и стронция сорбентом Т-55 в присутствии элементов аналогов, актиноидов.
4. Результаты исследования возможности использования сорбента Т-55 для дезактивации ЖРО различных типов, применения в качестве матрицы для иммобилизации радионуклидов цезия и стронция, а также для радиохимического анализа.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на зарубежных научных конференциях: SCI Conference: IEX 2008 U. K., London (2008), VIII Finnish-Russian Symposium on Radiochemistry, Finland, Turku (2009), Das internationale Simposium Euro-eco hannover 2010 “Ökologische, technologisce und rechtliche Aspekte der Lebensversorgung”. German, Hannover (2010), а также на российских конференциях: IV и V молодежной научно-практической конференции «Ядерно-промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы» (2007, 2009), III, IV и V Российских школах по радиохимии и ядерным технологиям (2008, 2010, 2012), Шестой и Седьмой Российских конференциях по радиохимии «Радиохимия-2009, 2012» (2009, 2012), Всероссийской конференции «Радиохимия - наука настоящего и будущего» (2011).
Публикации. По результатам работы опубликовано 28 печатных работ, в том числе 9 статей в российских и зарубежных реферируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 5 публикаций в сборниках материалов зарубежных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературных источников, экспериментальной части, выводов, библиографического списка. Работа изложена на 163 страницах машинописного текста, иллюстрирована 55 рисунками и 26 таблицами. Список цитируемой литературы содержит 192 ссылки.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!


1. Разработан способ синтеза поверхностно-модифицированных ферроцианидных сорбентов для концентрирования и иммобилизации радионуклидов, переработки жидких радиоактивных отходов. С применением физико-химических методов исследованы процессы, протекающие при поверхностном модифицирования гидратированного диоксида титана ферроцианидами. Показано, что перевод гидратированного диоксида титана в солевую форму протекает по ионообменному механизму. При термообработке удаляется адсорбированная вода, происходит закрытие микропор и увеличение размеров кристаллитов, постепенный переход анатаза в рутил, что приводит к уменьшению удельной поверхности и снижению количества доступных сорбционных центров. При насыщении сорбента никелем происходит хемосорбция никеля с его локальным гидролизом и гидроксилирование поверхности. Идентифицированы соединения, образующиеся в фазе сорбента на последней стадии модифицирования при обработке ферроцианидом калия.
2. Исследованы статика и кинетика сорбции цезия смешанным ферроцианидом никеля-калия на основе гидратированного диоксида титана, химизмы сорбции цезия, выявлены факторы, обуславливающие высокую ёмкость сорбента. Установлено, что наличие у сорбента трёх типов специфичных к цезию сорбционных центров приводит к различию в химизмах сорбции в разных концентрационных областях цезия. Сорбция цезия в области концентраций от 2-10-7до 50 мг/л может быть описана в рамках модели ионного обмена. Предположительным химизмом сорбции цезия в области концентраций более 50 мг/л является осаждение смешанного ферроцианида никеля-цезия в поровом пространстве сорбента. Реализация механизма осаждения приводит к увеличению ёмкости до 270 мг/г и возрастанию удельной поверхности сорбента на 23% (до 158 м2/г).
3. Исследовано влияние поверхностного модифицирования на специфичность сорбента Т-55 по отношению к цезию и стронцию на фоне элементов аналогов, изучены механизмы сорбции стронция. Установлено, что влияние на сорбцию цезия ионов Na+ и K+ отсутствует, в определённых областях концентраций цезия и аммония влияние аммония на сорбцию цезия также отсутствует, и сорбция цезия и аммония протекает по независимым механизмам. При более высоких концентрациях компонентов ион аммония выступает конкурентом при сорбции цезия, что приводит к снижению коэффициента распределения цезия. При концентрации цезия в растворе более 50 мг/л С8+ и N44+ поглощаются совместно за счёт соосаждения смешанных ферроцианидов в поровом пространстве сорбента. Показано, что сорбент Т-55 избирательно сорбирует стронций в присутствии кальция в области рН=5^6, что позволяет использовать его для раз¬деления Бг и Са. Поверхностное модифицирование сорбента Т-5 не влияет на его сорбционные свойства по отношению к И(У1) и ТЬ.
4. Экспериментально показана возможность использования сорбента Т-55 для очистки от цезия широкого спектра ЖРО различного состава (сильнокислых, слабощелочных и нейтральных, высокосолевых, а также содержащих ПАВ и ЭДТА) и уровней активности. Определены скорости выщелачивания цезия и стронция из насыщенных радионуклидами образцов сорбента различными типами вод в условиях длительного хранения, предложено использование сорбента в качестве матрицы для иммобилизации радионуклидов цезия и стронция, а также для изготовления закрытых источников гамма-излучения на основе 137С8 с удельной активностью до 10 Ки/г.
5. Предложен метод анализа природных вод на радионуклиды цезия с применением для концентрирования сорбента Т-55, а также разработаны подходы и предложена схема определения суммарной удельной а-активности вод и донных осадков бассейнов выдержки БАЭС в условиях высокой суммарной ^-активности фаз, обусловленной наличием радионуклидов Сз-137, Бг-90 и У-90.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю к.х.н., зав. кафедрой радиохимии и прикладной экологии Ворониной А.В. за проведённые совместные исследования, ценные рекомендации и помощь в подготовке диссертации, а также другим соавторам публикаций к.х.н. Ноговицыной Е.В. и д.х.н. Бетенекову Н.Д. за участие в исследованиях и обсуждении результатов.



1. Воронина, А. В. Исследование химической и термической устойчивости матрицы на основе гидроксида титана для совместной иммобилизации цезия и стронция [Текст] / А. В. Воронина, В. С. Семенищев, Н. Д. Бетенеков // Вопросы радиационной безопасности. - 2010. - № 3. - С. 54-61.
2. Воронина, А. В. Исследование ферроцианидных сорбентов на основе гидратированного диоксида титана с применением физико-химических методов [Текст] / А. В. Воронина, В. С. Семенищев, Е. В. Ноговицына, Н. Д. Бетенеков // Радиохимия. - 2012. - N 1. - С. 66-70.
3. Воронина, А. В. Влияние поверхностного модифицирования гидратированного диоксида титана на селективность по отношению к стронцию [Текст] / А. В. Воронина, В. С. Семенищев // Радиохимия. - 2013. - №1. - С. 61-64.
4. Воронина, А. В. Влияние концентрации калия, натрия и аммония на сорбцию цезия смешанным ферроцианидом никеля-калия на основе гидратированного диоксида титана [Текст] / А. В. Воронина, В. С. Семенищев // Радиохимия. - 2013. - № 4. - С. 329-333.
5. Voronina, A. V. A study of ferrocyanide sorbents on hydrated titanium dioxide support using physicochemical methods [Текст] / A. V.Voronina, V. S. Semenishchev, E. V. Nogovitsyna, N. D. Betenekov // Radiochemistry. - 2012. - N 1. - Р. 69-74.
6. Voronina, A. V. Effect of surface modification of hydrated titanium dioxide on its selectivity to strontium [Текст] / A. V. Voronina, V. S. Semenishchev // Radio¬chemistry. - 2013. - N. 1. - P. 94-97.
7. Semenischev, V. S. The study of sorption of caesium radionuclides by “T-55” ferrocyanide sorbent from various types of liquid radioactive wastes [Текст] / V. S. Semenischev, A. V. Voronina, A. A. Bykov // J. Radioanal. Nucl. Chem. - 2013. Vol. 295. - Issue 3. - P. 1753-1757.
8. Voronina, A. V. Influence of the concentrations of potassium, sodium and am-monium ions on the cesium sorption with mixed nickel potassium ferrocyanide sup-ported on hydrated titanium dioxide [Текст] / A. V. Voronina, V. S. Semenishchev // Radiochemistry. - 2013. - N 4. - Р. 399-403.
9. Voronina, A. V. Peculiarities of sorption isotherm and sorption chemisms of caesium by mixed nickel-potassium ferrocyanide based on hydrated titanium dioxide / A. V. Voronina, V. S. Semenishchev, E. V. Nogovitsyna, N. D. Betenekov [Текст] // J. Radioanal. Nucl. Chem. - 2013. Vol. 298. - Issue 1. - P. 67-75.
В других изданиях:
10. Betenekov, N. D. The Study of the chemical stability of Matrixes for Caesium Immobilization based on Thin-Layer Inorganic Sorbents [Текст] / N. D. Betenekov, V. S. Semenishchev, A. V. Voronina / SCI Conference: IEX 2008 Recent Advances in Ion Exchange Theory and Practice. - U. K. London: Society of Chemical Industry, 2008. - SCI Conference: IEX 2008 Recent Advances in Ion Exchange Theory and Practice. U. K., London: Society of Chemical Industry. 2008. - P. 211-214.
11. Semenischev, V. S. The ferrocyanide sorbent for extraction of caesium ra-dionuclides from various types of liquid radioactive wastes [Текст] / V. S. Semenischev, A. V. Voronina, A. R. Mustaphina, A. A. Bykov, E. V. Nogovitsyna / Das internationale Simposium Euro-eco Hannover 2010 “Ökologische, technologisce und rechtliche Aspekte der Lebensversorgung”. - 2-3 Dezember 2010. - German, Hannover: Europäische Wissenschaftliche Gesellschaft, 2010. - Р. 104.
12. Semenishchev, V. S. Characterization of T-55 sorbent using 57Fe Mössbauer spectroscopy with a high velocity resolution [Текст] / V. S. Semenishchev, A. V. Vo-ronina, M. I. Öshtrakh / ICAME 2013 - International Conference on the Applications of the Mössbauer Effect. - Opatija, 2013. - P. 126.


Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.



Подобные работы


©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ