Материал – кислородно-модифицированный углерод (КМУ) – извлекает радиоактивные вещества из воды, и по утверждению исследователей, в будущем может помочь очистить сотни миллионов литров загрязненной воды, оставшейся после отказа оборудования на АЭС «Фукусима». Другими словами, КМУ способны с легкостью поглощать катионы таких металлов, как цезий, стронций, уран, торий и радий. Некоторые из них также образуются после нефтедобычи.

Проект выполнен в сотрудничестве с профессором Университета Райса Джеймсом Туром на базе НИЛ «Перспективные углеродные наноматериалы» КФУ, руководителем которой является Айрат Димиев (на фото выше).

Коллеги использовали особенности пористого строения двух различных источников углерода. Один из них – черный коксовый порошок, широко используемый нефтедобывающими компаниями США как присадка к буровым растворам, второй – минерал шунгит, имеющий месторождение и добываемый тоннами в России в Карелии.

Для получения КМУ частицы исходного углерода, размером от 10 до 80 микрон, обрабатываются окисляющими веществами, что увеличивает их пористость и снабжает поверхность поркислородными функциональными группами, необходимыми для поглощения токсичных металлов. Важно отметить, что неокисленные формы углерода, такие как активированный уголь, несмотря на их эффективность в сорбции газов и органических веществ, не подходят для сорбции катионов металлов.

Два новых типа КМУ – из кокса и шунгита – лучше, чем многие другие известные сорбенты, подходят для поглощения радиоактивного изотопа цезия ¹³⁷Cs , который составляет наибольшую проблему в Фукусиме. КМУ также достаточно легко и недорого произвести и использовать в стандартных системах фильтрации.

Джеймс Тур в интервью пресс-центру университета Райса отметил еще одно преимущество нового материала: «В то время как другие вещества, использованные для очистки радиоактивных отходов, необходимо затем хранить вместе с этими отходами, углерод же впоследствии можно просто сжечь в ядерной топке. После этого остается лишь небольшой объем радиоактивного пепла, который намного легче хранить».

Два типа частиц КМУ выглядят как шарики из мятой бумаги или как бутоны роз с ассиметричными лепестками. Их действие было проверено путем смешивания с загрязненной водой в колонных фильтраторах, где жидкость прокачивается через фильтры с помощью силы тяжести. Исследователи разводили в родниковой воде частицы нерадиоактивных изотопов цезия и стронция, после чего пропускали обогащенную ионами воду через фильтры, а в конце эксперимента производили замеры остатков целевых элементов в воде.

КМУ типа 1 (из кокса) лучше удаляли цезий и стронций, причем с увеличением количества сорбента результаты также росли. 800 мг КМУ-1 удалили около 83% цезия и 68% стронция из 100 мл воды.

КМУ типа 2 (из шунгита) в тех же концентрациях поглотили 70% цезия и 47% стронция. При этом ученые с удивлением обнаружили, что простой шунгит показал почти такой же результат в случае с цезием, как и окисленный.

«Интересно, что простой шунгит с древних времен использовался местными жителями для фильтрации воды, – отметил Айрат Димиев. – Но нам удалось во много раз увеличить его эффективность и обнаружить реальные механизмы его действия».

^{Сотрудники НИЛ «Перспективные углеродные наноматериалы»} 

Исследование поддержано Программой повышения конкурентоспособности КФУ. Его результаты были опубликованы в этом месяце в журнале Carbon. Соавторами статьи выступили научные сотрудники НИЛ «Перспектиные углеродные наноматреиалы» Артур Ханнанов и Вадим Неклюдов, ассистент кафедры геофизики и геоинформационных технологий КФУ Булат Гареев и аспирант кафедры общей физики КФУ Айрат Киямов.