Сорбційне вилучення іонів цезію з водних розчинів

V. V. Galysh

V. V. Galysh Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України

Анотація

В огляді наведено відомості про сорбційну здатність щодо цезію природних і синтетичних матеріалів органічної та неорганічної природи. Проаналізовано фізико-хімічні характеристики сорбентів та вплив основних параметрів сорбції (рН середовища, вміст і концентрація супутніх елементів) на ефективність поглинання радіоцезію, наведено механізми сорбційної взаємодії. Огляд охоплює фундаментальні та прикладні дослідження і дозволяє визначити перспективні напрямки створення сорбентів з високими сорбційними та експлуатаційними характеристиками.

Посилання

Ewing R.C. Nuclear fuel cycle: environmental impact // MRS Bull. – 2008. – Vol. 33. – P. 338–340.

Ключников А.А., Пазухин Э.М., Шигера Ю.М. Радиоактивные отходы АЭС и методы обращения с ними. Монография. – Киев.: Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины, 2005. – 487 с.

Дементьев Д.В., Болсуновский А.Я. Содержание техногенных радионуклидов в кустарниковых растениях и грибах в зоне влияния Горно-химического комбината (Красноярский край) // Журн. Сибир. федер. ун-та. – 2009. – № 2 (2). – P. 172–181.

Кузнецов Ю.В., Щебетковский В.Н., Трусов А.Г. Основы очистки воды от радиоактивных загрязнений [2-е изд., перераб. и доп.] – Москва: Атомиздат, 1974. – 360с.

Cornell R.M. Adsorption of cesium on minerals: a review // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 1993. – Vol. 171, № 2. – P. 483–500.

Мясоедова Г.В., Никашина В.А. Сорбционные материалы для извлечения радионуклидов из водных сред // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. Хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). – 2006. – T. L, № 5. – С. 55–63.

Egorin A.M., Tutov M.V., Slobodyuk A.B., Avramenko V.A. Stability of resorcinol-formaldehyde resins in alkaline solutions // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2014. – Vol. 56, № 2. – P. 183–188.

Hassan N.M., Adu-Wusu K., Marra J.C. Resorcinol-formaldehyde adsorption of cesium from Hanford waste solutions // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2005. – Vol. 262, № 3. – P. 579–586.

Kargov S.I., Shelkovnikova L.A., Ivanov V.A. The nature of ion exchanger selectivity of phenol-formaldehyde sorbents with respect to cesium and rubidium ions // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2012. – Vol. 86, № 5. – P. 860–866.

Милютин В.В., Гелис В.М. Современные методы очистки жидких радиоактивных отходов и радиоактивно-загрязненных природных вод // IV Международный интернет-симпозиум по сорбции и экстракции. – Владивосток (Россия). – 2011. – Режим доступа к журн. http://www.ich.dvo.ru/~isse/2011/images/stories/papers/russian/milyutin.pdf>

Лиштван И.И., Абрамец А.М., Янюта Ю.Г. [и др.] Гуминовые вещества торфа: физико-химические свойства и перспективы применения // Природопользование. – 2012. – № 22. – С. 92–96.

Карпюк Л.А. Алкоксисилильные производные гуминовых веществ: синтез, строение и сорбционные свойства: автореф. дис. канд. хим. наук: 02.00.03 / МГУ им. М.В. Ломоносова. – Москва, 2008. – 26 с.

Разворотнева Л.И., Гилинская Л.Г., Маркович Т.И. Модифицированные природные сорбенты как поглотители радионуклидов // Электронный научно-информационный журнал «Вестник Отделения наук о Земле РАН». – 2009. – № 1 (27). Режим доступа к журн. http://onznews.wdcb.ru/publications/asempg/geoecol-11.pdf>

Мясоедова Г.В. Сорбционное концентрирование и разделение радионуклидов с использованием комплексообразующих сорбентов // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. Хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). – 2005. – Т. XLIX, № 2. – С. 72–75.

Аджиахметова С.Л., Селина И.И., Лигай Л.В. и др. Исследование сорбционной способности пектинов и водорастворимых полисахаридов крыжовника отклоненного (grossulariareclinata (L) mill.), листьев шелковицы черной (morusnigral.) и шевковицы белой (morusalbal.) // Научные ведомости. Серия медицина. Фармация. – 2013. – № 11 (154). – С. 278–283.

Wang J., Chen C. Biosorbents for heavy metals removal and their future // Biotechnol. Adv. – 2009. – № 27. – Р. 195–226.

Будняк Т.М., Тьортих В.А., Яновська Е.С. Хітозан та його похідні, як ефективні сорбенти для вилучення йонів металів // Поверхность. – 2013 – № 5 (20). – С. 118–134.

Rinaudo M. Chitin and chitosan: properties and applications // Prog. Polym. Sci. – 2006. – Vol. 31, № 7. – P. 603–632. 18.

Велешко И.Е., Розанов К.В., Велешко А.Н. и др. Сорбция радионуклидов ⁹⁰Sr и ⁹⁰Y биополимером микотон для радиоэкологического мониторинга и пострадиационной реабилитации природных и техногенных сред // Известия Самар. науч. центра Рос. ак. наук. – 2011. – T. 13, № 5 (2). – С. 151–154.

Маркова М.Е., Урьяш В.Ф., Степанова Е.А. и др. Сорбция тяжелых металлов высшими грибами и хитином разного происхождения в опытах in vitro // Вестник Нижегородского ун-та им. Н.И. Лобачевского. – 2008. – № 6. – С. 118–124.

Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров. – Санкт-Петербург: СПбЛТА, 1999. – 628 с.

Kapustina I.B., Moskalchuk L.N., Matyushonok T.G. et al. Investigation of hydrolysis lignin for the purpose of its possible use as a land reclamation sorbent for rehabilitation of soil polluted with radionuclides // Chem. Sustain. Dev. – 2006. – № 4. – P. 13–18.

Никифорова Т.Е., Багровская Н.А., Козлов В.А., Лилин С.А. Сорбционные свойства и природа взаимодействия целлюлозсодержащих полимеров с ионами металлов // Химия раст. сырья. – 2009. – № 1. – С. 5–14.

Johan E., Yamada T., Munthali M.W. et al. Natural zeolites as potential materials for decontamination of radioactive cesium // Procedia Environmental Sciences. – 2015. – Vol. 28. – P. 52–56.

Staunton S., Roubaud M. Adsorption of ¹³⁷Cs on montmorillonite and illite: effect of charge compensating cation, ion strength, concentration of Cs, K and fulvic acid // Clays and clay minerals. – 1997. – Vol. 45, № 2. – P. 251–260.

Aldayel O.A., Alandis N.M., Mekhemer W.K. et al. Removal of cesium and strontium from aqueous solution by natural bentonite: effect of pH, temperature and bentonite treatment // J. Eenv. Sci. Eng. – 2010. – Vol. 4, № 4. – P. 1–10.

Wendling L.A., Harsh J.B., Pamer C.D. et al. Cesium sorption to illite as affected by oxalate // Clays and clay minerals. – 2004. – Vol. 52. – P. 375–381.

Rob N.J., Hockley C., Hockley D.E. Kinetics of cesium sorption on illite // Geochimica et cosmochimica acta. – 1992. – Vol. 56. – P. 1157–1164.

Ishikawa N.K. Radiocesium sorption behavior on illite, kaolinite, and their mixture // Radioprotection. – 2009. – Vol. 44, № 5. – P. 141–145.

Lim C.H., Jackson M.L., Koons R.D., Helmke P.A. Kaolins: sources of differences in cation-exchange capacities and cesium retention // Clays and clay minerals. – 1980. – Vol. 28, № 3. – P. 223–229.

Геворкян Р.Г., Мазманян Л.Г., Саргсян А.О. Природные цеолиты Армении в геоэкологии // Ученые записки Ереванского Государственного Университета. – 2007. – № 2. – С. 117–123.

Гельферих Ф. Иониты. Основы ионного обмена: Под ред. С.М.Черноброва. – Москва: Издательство иностранной литературы, 1962. – 492 с.

Rajec P., Dominova K. Cesium exchange reaction on natural and modified clinoptilolite zeolites // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2008. – Vol. 275, № 3. – P. 503–508.

Atun G., Bilgin B., Mardinli A. Sorption of cesium on nomtmorillonete and effects of salt concentration // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 1996. – Vol. 211, № 2. – P. 435–50.

Sawhney B.L. Selective sorption and fixation of cations by clay minerals: a review // Clays and clay minerals. – 1972. – Vol. 20. – P. 93–100.

Ishikawa K., Ito A., Umita T. Possibility of removing radionuclides in landfill leachate using advanced wastewater treatment processes // International symposium on environmental monitoring and dose estimation of residents after accident of NEPCO’s Fukushima Daiichi Nuclear power station. Proceedings. – 2012. – p. 4.

Дикий Н.П., Довбня А.Н., Медведева Е.П. и др. Эффекты радиационного и высокотемпературного воздействия на диффузионную подвижность радионуклиов в туфе и клиноптилолите // Вісник Харківського університету. – 2011. – № 946. – С. 29–36.

Пшинко Г.Н., Тимошенко Т.Г., Корнилович Б.Ю., Терликовский Е.В. Сорбционная очистка воды от ⁹⁰Sr и его иммобилизация в керамических матрицах // Химия и технология воды. – 2007. – Т. 29, № 3. – С. 262–274.

Корнилович Б.Ю. Структура и поверхностные свойства механохимически активированных силикатов и карбонатов. – Киев: Наукова думка, 1992. – 128 с.

Климов Е.С., Бузаева М.В. Природные сорбенты и комплексоны в очистке вод. – Ульяновск: УлГТУ, 2011. – с. 201.

Москальчук Л.Н., Баклай А.А., Леонтьева Т.Г., Лемутов М.И. Синтез и свойства композиционного сорбента на основе алюмосиликатов, выделенных из глинисто-солевых шламов // Труды БТТУ. – 2012. – № 3. – С. 116–120.

Пшинко Г.Н. Влияние гуминовых веществ на сорбцию радионуклидов монтмориллонитом // Химия и технология воды. – 2009. – Т. 31. № 3. – С. 286–299.

Мархол М. Ионообменники в аналитической химии. Часть 2. – Москва: Мир, 1985. – 280 с.

Ruzicka J.Y., Bakar F.A., Thomsen L., Cowie B.C. et al. XPS and NEXAFS study of fluorine modified TiO₂ nano-ovoids reveals dependence of Ti³⁺ surface population on the modifying agent // RSC Advances. – 2014. – Vol. 4, № 40. – P. 20649-20658.

Shabana E.I., El-Dessouky M.I. Sorption of cesium and strontium ions on hydrous titanium dioxide from chloride medium // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2002. – Vol. 253, № 2. – P. 281–284.

Altas Y., Hasany S.M., Chaudhary M.H. Sorption kinetics of cesium on hydrous titanium dioxide // Radiochimica Acta. – 2003. – Vol. 91, № 10. – P. 603–606.

Шавинский Б.М., Левченко Л.М., Митькин В.Н. Получение гидратированного пентоксида сурьмы для сорбции ионов цезия и стронция // Химия в интересах устойчивого развития – 2010. – № 18. – С. 755–759.

Терещенко О.М., Макаренко І.М. Дезактивація води природними й модифікованими сорбентами // Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження. – 2012. – №1. – доступ до журналу http://chemengine.kpi.ua/wp-content/uploads/2012/07/20.pdf>

Gafvert T., Ellmark C., Holm E. Removal of radionuclides at a waterworks // J. Environ. Radioact. – 2002. – Vol. 63, № 2. – С. 105–115.

Пат. 77610 Україна, С02F1/28, C02F1/58, G21F9/04, G21F9/12. Спосіб очистки води від радіонуклідів стронцію / Корнілович Б.Ю., Терліковський Є.В., Тимошенко Т.Г., Пшинко Г.М. – Опубл. 15.12.2006., Бюл. №12.

Тимошенко Т.Г., Пшинко Г.Н., Корнилович Б.Ю. и др. Очистка радиоактивно загрязненных вод от ⁹⁰Sr и U(VI) ферритным методом // Химия и технология воды. – 2007. – Т. 29, № 5. – С. 449–461.

Gossuin Y., Colet J.-M., Roch A. et al. Cesium Adsorption in hydrated iron oxide particles suspensions: an NMR study // J. Magnetic Reson. – 2002. – № 157. – P. 132–136.

Карелин В.А. Водоподготовка. Физико-химические основы процессов обработки воды. – Томск: Изд-во Томского политех. eн-та, 2012. – с. 97.

Naushad Mu. Inorganic and composite ion exchange materials and their applications // Ion exchange letters. – 2009. – № 2. – P. 1 – 14. – доступ до журналу http://iel.vscht.cz/articles/1803-4039-02-0001.pdf

Никитина Е.А. Гетерополисоединения. – Москва: Госхимиздат, 1962. – 424 с.

Zhaoyi T., Zhaoya H., Dong Z., Xiaolin W. Structural characterization of ammonium molybdophosphate with different amount of cesium adsorption // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2014. – № 299. – P. 1165–1169.

Marageh M.G., Husain S.W., Khanchi A.R. Selective sorption of radioactive cesium and strontium on stannic molybdophosphate ion exchanger // Appl. Radiat. Isot. – 1999. – Vol. 50, № 2. – P. 459–630.

Yavari R., Huang Y.D., Ahmadi S.J. Uptake behaivior of titanium molybdophospate for cesium and strontium // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2010. – № 286. – P. 223–229.

Kleszcz K., Mietelski J.W., Lokas E. Potassium influence on the sorption of ¹³⁴Cs and ⁸³Rb by AMP in fresh and salty waters // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2015. – Vol. 305, № 2. – P. 439-443.

Sebesta F., Stefula V. Composite ion exchanger with ammonium molybdophosphate and its properties // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 1990. – Vol. 140, № 1. – P. 15–21.

Todd T.A., Mann N.R., Tranter T.J. et al. Cesium sorption from concentrated acidic tank wastes using ammonium molybdophosphate-polyacrylonitrile composite sorbents // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2002. – Vol. 254, № 1. – P. 47–52.

Khanchi A.R., Yavari R., Pourazarsa S.K. Preparation and evaluation of composite ion-exchanger for the removal of cesium and strontium radioisotopes // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2007. – Vol. 273, № 1. – P. 141–145.

Димова Л.М., Смирнов Г.И. Фосфаты металлов – ионообменники при глубокой очистки солей. – Иркутск: Изд-во Иркут. гос. Ун-та, 2009. – 96 с.

Strelko V.V. New sol-gel processes in the synthesis of inorganic sorbents and ion exchangers based on nanoporous oxidesand phosphates of polyvalent metals // J. Sol-Gel Sci. Tech. – 2013. – Vol. 68, № 3. – P. 438–446.

Васильєва Г.В. Фізико-хемія процесів вилучення продуктів ініційованого поділу 235U із водних розчинів на неорганічних сорбентах // Вісник Прикарпатського національного університету ім. Василя Стефаника. Хімія. – 2010. – № 10. – С. 5–14.

Komarneni S., Roy R. Cesium exchange, selectivity, and fixation properties of γ-titanium phosphate // Nucl. Waste Manag. – 1986. – Vol. 20, №16. – P. 207–214.

Закутевский О.И., Псарева Т.С., Стрелко В.В. и др. Сорбенты для аккумулирования и поглощения радионуклидов и урана из водных растворов // Хімія, фізика та технологія поверхні. – 2012. – Т. 3, № 2. – С. 199–204.

Kumar S.S., Sivaiah M.V., Venkatesan K.A., Krishna R.M. Removal of cesium and strontium from acid solution using a composite of zirconium molybdate and zirconium tungstate // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2003. – Vol. 258, № 2. – P. 321–327.

Lujaniene G., Meleshevych S., Kanibolotskyy V. et al. Synthesis and characterization of inorganic sorbents and their application to sorption of radionuclides // Luth. J. Phys. – 2008. – Vol. 48, № 1. – P. 107–114.

Каніболоцький В.А., Олексієнко О.В., Мелешевич С.І., Стрелко В.В. Кристалічні та аморфні титаносилікати для селективного поглинання радіонуклідів цезію та стронцію // ІІ Міжнародна (ІV Всеукраїнська) конференція студентів, аспірантів та молодих вчених з хімії та хімічної технології (22–24 квітня, 2009, Київ). –С. 29.

Solbra S., Allison N., Waite S. et al. Cesium and strontium ion exchange on the framework titanium silicate M₂Ti₂O₃·SiO₄·nH₂O (M = H, Na) // Environ. Sci. Technol. – 2001. – № 35. – P. 626–629.

Тананаев И.В., Сейфер Г.Б., Харитонов Ю.Я. и др. Химия ферроцианидов. – Москва: Наука, 1971. – 320 с.

Nilchi A., Malek B., Chanadi M. et al. Exchange properties of cyanide complex. Part I. Ion exchange of cesium on ferrocyanides // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2002. – Vol. 258, № 3. – P. 457–462.

Han F., Zhang G.H., Gu P. Adsorption kinetics end eguilibrium modeling of cesium on copper ferrocyanide // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2013. –№ 295. – P. 369–377.

Milyutin V.V., Gelis V.M., Klindukhov V.G., Obruchikov A.V. Coprecipitation of microamounts of Cs with ferrocyanides of various metals // Radiochemistry – 2004. – № 5. – P. 479–480.

Ismail I.M., El-Sourougy M.R., Abdel Moneim N., Aly H.F. Equilibrium and kinetic studies of studies of the sorption of cesium by potassium nickel hexacyanoferrate complex // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 1999. – Vol. 240, № 1. – P. 59–67.

Parab H., Sudersanan M. Engineering a lignocellulosic biosorbent – coir pith for removal of cesium from aqueous solutions: equilibrium and kinetic studies // Water Res. – 2010. – № 44. – P. 854–860.

Пат. 2069094 Российская Федерация, B01J20/02. Способ получения неорганического сорбента на основе ферроцианида железа / Кудрявский Ю.П., Калинин Н.Ф., Бондарев Э.И. и др. – Опубл. 20.11.1996.

Милютин В.В., Михеев С.В., Гелис В.М. и др. Исследование сорбции цезия на ферроцианидных сорбентах из высокосолевых растворов // Радиохимия. – 2009. –Т. 51, №3. – С.261–263.

Петрова М.А., Мовчан І.О. Вплив кобальту та мангану на адсорбцію радіонуклідів модифікованимим глинистими сорбентами // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2013. – №10. Т.6. – С. 24–27.

А.с. 801871 СССР, В01J19/04. Способ получения смешанных сорбентов / Ермолаев М.И., Чернышова Л.И., Зуева В.В. – Опубл. 07.02.81. Бюл. №5.

Pat. 6046131 United States, В01J20/02, В01J20/10, В01J20/26. Metod for the preparation of a cesium-separating sorbent / Tanihara K. – Publ. 04.09.1997.

Ghaffar A., Mashiattullah A., Yaqoob N. Pre-concentration of Cs-137 through sorption: low level analysis in seawater // Current Environmental Engineering. – 2014. – Vol. 1, №3. – P. 185–190.

Пат. 2113024 Российская Федерация, G21F9/12. Неорганический сферогранулированный композиционный сорбент на основе гидроксида циркония и способ его получения / Шарыгин Л.М., Моисеев В.Е., Муромский А.Ю., Барьбин В.И. –Опубл. 10.06.1998.

Пшинко Г.Н., Пузырная Л.Н., Кобец С.А. и др. Слоистый двойной гидроксид Zn и Al, интеркалированный гексацианоферрат(II)-ионами – сорбент для извлечения цезия из водных сред // Радиохимия. – 2015. – Т. 57, № 3. – С. 221–226.

Semenischev V.S., Voronina A.V., Bykov A.A. The study of sorption of caesium radionuclides by “T-55” ferrocyanide sorbent from various types of liquid radioactive wastes // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2013. – Vol. 295. – P. 1753–1757.

Rajec P., Orechovska J., Novak I. NIFSIL: a new composite sorbent for cesium // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2000. – Vol. 245, № 2 – P. 317–321.

Huang C.-T., Wu G. Improvement of Cs leaching resistance of solidified radwastes with copper ferrocyanide (CFC)-vermiculite // Waste Manag. – 1999. – № 19. – P. 263–268.

Nilchi A., Saberi R., Moradi M. et al. Adsorption of cesium on copper hexacyanoferrate-PAN composite ion exchanger from aqueous solution // Chem. Eng. J. – 2011. – № 172. – P. 572–580.

Галыш В.В., Картель Н.Т., Милютин В.В., Бакалинская О.Н. Синтез и свойства лигноцеллюлозно-неорганических биосорбентов // Экотехн. и ресурсосбереж. – 2014. – № 3. – С. 28–34.

Ding D., Zhao Y., Yang S. et al. Adsorption of cesium from aqueous solution using agricultural residue – walnut shell: equilibrium, kinetic and thermodynamic modeling studies // Water Res. – 2013. – № 47. – Р. 2563–2571.

Ding D., Lei Z., Yang Y. et al. Selective removal of cesium from aqueous solutions with nickel (II) hexacyanoferrate (III) functionalized agricultural residue – walnut shell // J. Hazard. Mater. – 2014. – №270. – P. 187–195.

Пат. 2021009 Российская Федерация, В01J20/02, В01J20/30. Способ получения композитных сорбентов и композитный сорбент / В.П. Ремез – Опубл. 15.10.1994.

Егорин А.М., Авраменко В.А., Братская С.Ю. Синтез и свойства материалов на основе целлюлозы и ферроцианидов переходных металлов, для анализа цезийсодержащих растворов // V конференция молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН. Химия и технология радиоактивных элементов, радиоэкология и радиационная химия. Физикохимия (25–30 ноября, 2010, Москва, Российская Федерация). – С. 77.

Galysh V.V., Kartel M.T., Milyutin V.V. et al. Composite cellulose-inorganic sorbents for ¹³⁷Cs recovery // J. Radioanal. Nucl. Chem.. – 2014. – V. 301, № 2. – Р. 315–321.