Новости химической науки > «Венерина мухоловка» для отходов атомной энергетики

Пищей для венериной мухоловки (хищного растения) может быть далеко не каждый объект. Как и плотоядное растение, новый материал, разработанный исследователями из Северо-западного Университета, в любых условиях захватывает лишь строго определенную «жертву» – ионы цезия (радиоактивный цезий часто можно найти в отработанном ядерном топливе), оставляя в покое безобидные ионы натрия.

Открытая полость металлосульфидного материала позволяет ионам цезия войти в нее в качестве «гостей». Вхождение иона цезия в полость активирует изменение размера пор ловушки, которая, «захлопываясь» как венерина мухоловка, необратимо инкапсулирует ион. (Рисунок из Nature Chemistry, 2010; DOI: 10.1038/nchem.519)

Синтетический материал, состоящий из организованных слоями ионных пар, образованных катионами [(CH₃)₂NH₂]⁺ и анионами [Ga₂Sb₂S₇]²⁻, весьма селективен. Исследователи обнаружили, что новая система способна к успешному удалению ионов цезия из раствора с большой концентрацией ионов натрия (Концентрации ионов в модельных растворах соответствовали реальным концентрациям ионов в отходах атомной энергетики).

Эффективность новой системы обусловлена тем, что, фактически, сам ион цезия способствует протеканию структурных изменений в материале, в результате чего размер пор материала уменьшается, а ион цезия оказывается инкапсулированным внутрь «ловушки». Новый материал обеспечивает количественное поглощение ионов цезия из раствора, при этом «игнорируя» ионы натрия.

Руководитель исследования, Меркури Канацидис (Mercouri G. Kanatzidis), отмечает, что идеальной исследовательской целью для его группы было создание материала, способного к такой степени концентрирования радиоактивного материала, которая бы позволила бы полностью поглотить из раствора опасный нуклид, после чего можно было бы отправить освобожденную от излучающих материалов воду на вторичную переработку. Он заявляет, что новый класс материалов, работающий по принципу мухоловки, может привести к прорыву в создании систем переработки отработанного ядерного топлива.

Канацидис заявляет, что селективное улавливание только цезия из жидкой смеси отходов атомной энергетики похоже на поиск иголки в стоге сена. Обычно соотношение концентраций близких по свойствам ионов натрия и цезия в таких отходах составляет около 1000:1. Это соотношение значительно усложняет задачу выделения цезия, так как от системы очистки требуется значительная селективность.

Полученный в Северо-западном университете материал представляет собой пористую слоистую структуру, организованную для ускорения процессов обмена. Первоначально в материале присутствуют органические катионы [(CH₃)₂NH₂]⁺, которые при контакте с раствором замещаются на катионы цезия Cs⁺.

Механизм захвата радиоактивного цезия основан на принципе ЖМКО. Мягкая кислота – ион цезия характеризуется большим радиусом, сульфидная сера представляет собой мягкое основание. При контакте сульфидной серы с катионом цезия происходит изменение формы структурного элемента, контактирующего с катионом радиоактивного металла, который оказывается в ловушке. Натрий, сольватированный молекулами воды, не может вызвать такие же структурные изменения, как «голый» цезий, и не попадает в «ловушку».

Источник: Nature Chemistry, 2010; DOI: 10.1038/nchem.519

метки статьи: #неорганическая химия, #новые материалы, #органическая химия, #физическая химия, #химическая технология