Новости химической науки > Давление поможет в хранении ядерных отходов?

Исследователи с удивлением обнаружили, что повышение давления приводит к увеличению объема полостей внутри твердого вещества, эти геометрические изменения способствуют внедрению и удерживанию ионов европия в структуре этого твердого вещества.

На основании близости свойств ионов европия и ионов урана исследователи из Университета Южной Каролины и Университета Стэнфорда предполагают, что обнаруженное изменение свойств твердого вещества, вызванное увеличение давлением, может оказаться перспективным для создания систем хранения отработанного ядерного топлива.

Объектом исследования был натролит, разновидность цеолитов – алюмосиликатных минералов, содержащих в своей структуре регулярно расположенные поры. Существует более сотни разновидностей различных цеолитов, каждый из видов цеолитов отличается строго определенными геометрическими параметрами внутренних полостей, определяющих тип молекул или ионов, которые могут быть захвачены этими полостями.

Давление расширяет поры минерала. (Рисунок из Angew. Chem. Int. Ed., 2012; DOI: 10.1002/anie.201201045)

Параметры внутренних полостей цеолиов позволяют использовать их для сортировки и разделения химических веществ: добавка цеолитов к раствору, содержащему смесь ионов, позволяет добиться селективной сорбции ионов строго определенного сорта. Для разработки методов контроля сорбционной селективности цеолитов по отношению к различным типам гостей исследователи проверяют различные факторы – концентрации растворов, среду, растворители, однако влияние давления на размеры полостей цеолита практически не изучалось.

Изучение влияния давления на натролит, природный цеолит с соотношением атомов Al:Si:O, равным 2:3:10, позволило исследователям при повышенном давлении добиться замещения находящихся в полости цеолита ионов калия на ионы трехвалентного европия, при этом понижение давления до нормального уровня приводило к тому, что ионы европия оказывались иммобилизованными в клетке цеолита. При нормальном давлении замещение ионов K⁺ на ионы Eu³⁺ не происходит.

Очевидно, что факт наблюдения исследователями увеличение объема пор натролита при приложении к этому цеолита давления, превышающего значение 1ГПа (более 10000 атм.) нельзя было заранее предугадать или предположить теоретически. Такое необычное поведение открывает новые возможности для сорбции и удержания ионов с большим радиусом.

Исследователи предполагают, что возможность алиовалентного замещения K⁺ на ионы Eu³⁺ весьма перспективно для обработки отработанного ядерного топлива. Радиус Eu³⁺ составляет 108.7 пикометров, что близко к значению радиуса U⁴⁺ – 103 пикометра.

Исследователи также предполагают, что изучение поведения натролита при повышенном давлении может дать дополнительную информацию о процессах, протекающих в земной коре – давление управляет как микропроцессами – реакциями в земной коре и мантии Земли, так и макропроцессами – смещением тектонических плит.

Источник: Angew. Chem. Int. Ed., 2012; DOI: 10.1002/anie.201201045

метки статьи: #неорганическая химия, #физическая химия, #химия твердого тела