Физико-химические основы синтеза и применения тонкослойных неорганических сорбентов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский Федеральный университет имени

Первого Президента России Б. Н. Ельцина

Редактор академик РАН Б. Ф. Мясоедов

Рекомендовано методическим советом УрФУ для студентов, обучающихся по направлению подготовки 250900 – Химимческая технология материалов современной энергетики

Введение

На современном этапе интенсивного развития металлургической промышленности, ядерной и тепловой энергетики, использования мощных транспортных средств с ядерными энергетическими установками, непрекращающихся испытаний ядерного оружия, трагических ядерных инцидентов в Кыштыме и Чернобыле важное место начинают занимать проблемы, связанные с присутствием и поведением в окружающей среде техногенно рассеянных радиоактивных вещеществ.

Особая роль в решении указанных проблем принадлежит сорбционной технологии, в частности, с применением неорганических сорбентов. Последние, по сравнению с органическими ионитами, обладают более высокой селективностью, химической, радиационной и термической устойчивостью. В пятидесятые годы стала очевидна перспективность использования неорганических сорбентов, особенно в гранулированной форме, в радиохимической технологии для переработки высокоактивного облученного ядерного горючего [1], дезактивации сточных вод [2], изготовления источников ионизирующего излучения с высокой удельной активностью [3, с.84], очистки контурных вод ядерных реакторов [4, с.280], концентрирования урана из природных, в частности, морских вод [5], в радиохимическом анализе и аналитической химии [6], в технологии особо чистых неорганических веществ [7] и гидрометаллургии [8], в медицине и биологии [9]. В подавляющем большинстве перечисленных технологических и аналитических задач необходимо концентрировать малые количества радиоактивных или стабильных примесей (микрокомпонентов) из больших объемов водных растворов с разнообразным солевым составом. Некоторые специальные задачи радиохимического анализа производственных растворов и природных вод, в частности, на содержание короткоживущих радионуклидов, включают концентрирование как предварительную стадию и требуют экспрессного проведения этой операции. Неорганические сорбенты в гранулированной форме, полученные известными способами (сушка, замораживание с последующим размораживанием, прессование, гранулирование окатыванием и прессформованием, импрегнирование и осаждение в пористых материалах, получение сферических частиц методом падающей капли [10, с.31]), не удовлетворяют требованиям экспрессного концентрирования микрокомпонентов.

Основное отличие неорганических сорбентов от органических ионообменников состоит в замедленности гелевой диффузии сорбируемых ионов. Причиной диффузионных затруднений является жесткость скелета неорганических полимерных и кристаллических фаз, отсутствие набухания, незначительный размер пор. Поэтому сорбционная способность неорганических сорбентов существенно зависит от степени развития их поверхности, что находит отражение в связи коэффициента закона Генри (k_r) с величиной удельной поверхности (Sуд) [11, с.115]:

k_r = C_с /C_р= М_сV_р/V_с М_р= М_сV_р/М_рm h S_уд=k_dhS_уд, (1)

здесь C_с – концентрация сорбированного микрокомпонента в твердой фазе (моль/см³); C_р– концентрация микрокомпонента в растворе (моль/см³); М_с и М_р – абсолютные количества микрокомпонента соответственно в твердой и жидкой фазах (число атомов); V_с'= V_с = (hS/m) m/ = hS_удm, где V_с и V_с'– общий объем сорбента и объем, доступный для сорбции (см³); m и m'=hS – общая масса сорбента и масса сорбента, доступная для сорбции (г); h – толщина сорбционного слоя (см); S – поверхность сорбционного слоя (см²); -плотность сорбента (г/см³); S_уд=S/m – удельная поверхность сорбента (см²/г); k_d = М_сV_р/М_рm – коэффициент распределения, определяемый в опыте (см³/г). Отсюда

k_d=k_rhS_уд (2)

Подобная зависимость коэффициента распределения от величины удельной поверхности подтверждается экспериментально [12].