Очистка воды, зараженной актиноидами, с помощью бумажных фильтров компании Gaiasafe

Райнер Хаас¹, Фриц Пфайфер¹, Ольга Циунчик²

1: Gaisafe Ltd., Штадвальдштрассе 45а, D-35037 Марбург, ФРГ

2: Гродненский государственный Университет им. Я. Купалы,

ул. Ожешко'22, Гродно, 230023, Республика Беларусь

Абстракт

Компанией Gaiasafe Ltd. были разработаны бумажные фильтры специфической структуры, содержащие оксид железа для адсорбции тяжелых металлов и металлоидов. Для мышьяка (III) адсорбционная способность составляет 9% от веса бумаги, в свою очередь оксид железа составляет 9% от веса бумаги, что означает 50 мг железа в 1 г бумаги.

Эксперименты были проведены с целью определения адсорбционной способности фильтров компании gaiasafe для актиноидов. Были приготовлены водные растворы нитрата урания (с = 62,5 мг/мл), уранил ацетата (с = 18,8 мг/мл) и нитрата тория (с = 62,5 мг/мл) в количестве 80 мл каждый, после чего добавлена уксусная кислота (1 мл, 30%). По 1 г фильтровальной бумаги (в виде фильтровальных волокон) помещали в каждый из растворов. Спустя 1, 2, 4, 8, 24 и 48 часов фильтровальные волокна были извлечены из растворов. Гамма-активность растворов и бумаги измерялась гамма счетчиком.

Результаты эксперимента спустя 24 часа показали уменьшение активности раствора нитрата урания на 85%, уранил ацетата на 76%, нитрата тория на 82%. Вес сухой фильтровальной бумаги составлял 2,42 г для нитрата урания, 1,62 г для уранил ацетата и 2,08 г для нитрата тория. Из этого следует, что один атом железа связывает 6,7 атомов урания (из нитрата урания), 7,6 атомов урания (из уранил ацетата) и 5,2 атомов тория (из нитрата тория).

Основываясь на результатах экспериментов, следует отметить, что фильтровальная бумага компании gaiasafe является высоко сорбирующим материалом для актиноидов и может использоваться для фильтрации и очистки водных растворов. Благодаря высокой сорбционной способности фильтровальная бумага производства компании gaiasafe является хорошим матриксом для адсорбции и фиксации актиноидов.

Ключевые слова: анализы, фильтрация, сорбция, торий, ураний.

1. Введение

Компанией Gaiasafe Ltd. были разработаны бумажные фильтры специфической структуры, содержащие оксид железа для адсорбции тяжелых металлов и металлоидов. К примеру, для мышьяка (III) адсорбционная способность составляет 9% от веса бумаги, в свою очередь оксид железа составляет 9% от веса бумаги, что означает 50 мг железа в 1 г бумаги. Такая фильтровальная бумага приемлема и для сорбции других тяжелых металлов, таких как медь, свинец, кадмий, ртуть и т.п.(1).

Основная идея проведенного эксперимента заключалась в определении сорбционной способности фильтровальной бумаги компании gaiasafe по отношению к двум элементам-актиноидам: торию и уранию. Целью трех проведенных экспериментов служило определение сорбционной способности и кинетики актиноидов, содержавшихся в водных растворах методом гамма-спектроскопии, а так же определения сорбционной способности фильтровальной бумаги как адсорбционного матрикса.

2. Экспериментальная часть

2.1. Оборудование и реактивы

Химические реактивы

В работе были использованы следующие элементы-актиноиды: нитрат тория, нитрат урания и уранил ацетат. Для приготовления растворов использовалась дистиллированная вода и уксусная кислота (30%). Растворы были приготовлены по следующей схеме: 5,0 г нитрата урания, 5,0 г нитрата тория и 1,5 г уранил ацетата были растворены в 80 мл дистиллированной воды с добавлением 1 мл уксусной кислоты (30%).

Материалы

Эксперименты были проведены с 1 г фильтровальных волокон "gs 988" компании "Gaisafe". Волокно содержало 9% оксида железа и тестировалось ранее для сорбции тяжелых металлов из водных растворов (1). Вся использованная в работе химическая посуда была из боросиликатного стекла фирмы "Schott", Майнц, ФРГ.

Оборудование

В опытах был использован счетчик Siemens с детектором подсчетов до 10000 /сек. Всего было произведено 10 измерении, каждое в течение100 сек с 30 секундной паузой между ними. В работе использовался фильтр из боросиликатного стекла (1,55 мм); максимальное напряжение было установлено в 1600 V, а точкой отсчета служило фиксирование (получение) сигнала от базовой линии в 700 V. Гравиметрия была выполнена с использованием Sartorius Weight.

2.2 Проведение эксперимента

Фильтровальные волокна (фильтровальная бумага, нарезанная в виде полосок 1 мм шириной) были помещены в пробирки, заполненные приготовленными растворами (три тест-раствора) и затем плотно закрыты во избежание попадания пыли.

Для проведения эксперимента 5,0 г нитрата урания, 5,0 г нитрата тория и 1,5 г уранил ацетата были растворены в 80 мл дистиллированной воды с добавлением 1 мл уксусной кислоты (30%).

В первую очередь был определен фактический зеро-эффект гамма-спектрометра. Далее проводились замеры сухой фильтровальной бумаги и трех тест-растворов для определения начальной точки отсчета.

Спустя 0, 1, 2, 4, 8, 24 и 48 часов фильтровальная бумага была извлечена из растворов и определялась ее гамма-активность. Последним шагом было измерение гамма-активности растворов без фильтровальных волокон. По окончании эксперимента фильтровальная бумага была высушена при 25*С в течение 12 часов и затем взвешена.

3. Результаты и их обсуждение

Прежде всего, следует отметить, что кинетика всех трех экспериментов была схожей. В таблице 1 показана гамма-активность (%) оригинальных растворов (С_раств.) и растворов с фильтровальным волокном (С_вол.). Процент совпадений представляет собой сумму (С_раств.) и (С_вол.).

Таблица 1: Сорбция актиноидов фильтровальными волокнами спустя 24 часа

Наиболее заметные изменения в ходе эксперимента были зафиксированы после 24 часов от начала работы. Процент совпадения равнялся 90-93% и показал погрешность измерения менее чем 10%. Остаточная концентрация актиноидов в водных растворах равнялась 15% и 24% от начальной концентрации. Все результаты кинетических процессов показаны в таблице 2.

Общее количество актиноидов на фильтровальных волокнах спустя 48 часов равнялось:

• для раствора 1: 1,42 г урания, т.е. 47% от общего количества в оригинальном тест-растворе

• для раствора 2: 0,62 г урания, т.е. 73% от общего количества в оригинальном тест-растворе

• для раствора 3: 1.08 г тория, т.е. 45% от общего количества в оригинальном тест-растворе

Следуя гравиметрическому методу, сорбционная способность фильтровальных волокон компании gaiasafe была определена как:

• в растворе 1: 6,7 атомов (U) для 1 атома (Fe)

• в растворе 2: 7,6 атомов (U) для 1 атома (Fe)

• в растворе 3: 5,2 атомов (Th) для 1 атома (Fe)

В таблице 2 показаны результаты кинетических процессов сорбции актиноидов на фильтровальных волокнах компании gaiasafe. На рисунке 1 показана десорбция актиноидов из растворов, а на рисунке 2 - сорбция актиноидов на фильтровальных волокнах. Наибольшее число компонентов было сорбировано на фильтровальном волокне спустя 8 часов в ходе эксперимента. Функция радио-распада во всех трех экспериментах была одинаковой и следовала логарифмической функции. Схожие результаты были получены при экспериментах сорбции ионов урания на солях железа (2).

Таблица 2: Кинетика сорбции и десорбции актиноидов фильтровальными волокнами из водных растворов

C_{soln (cts)} gamma activity of solution (counts per second) – гамма-активность раствора (изм/сек)

C_{FW (cts)} gamma activity of filter wool (counts per second) – гамма-активность фильтровального волокна (изм/сек)

C_{soln (%)} normed concentration in solution (native concentration = 100%) - относительная концентрация в растворе ( начальная концентрация = 100%).

C_FW(%) normed concentration on filter wool (native concentration = 100%) - относительная концентрация на фильтровальном волокне ( начальная концентрация = 100%)

Эксперименты показали, что фильтровальная бумага компании gaiasafe служит высоко эффективным сорбирующим материалом для актиноидов и может быть использована для фильтрации и очистки водных растворов. Благодаря высокой сорбирующей способности gaiasafe фильтры являются хорошим матриксом для адсорбции и фиксации актиноидов.

Фильтровальная бумага компании gaiasafe может быть использована в качестве пассивных коллекторов для проведения экспериментов с пробами воды (3). Так же представляется возможным проведение исследований по выявлению зараженных актинидами грунтовых и сточных вод.

4. Литература

[1] R. Haas, F.D. Oeste: Impraegnierte Filterpapiere fuer die Wasserreinigung. UWSF-Z. Umweltchem. Oekotox. 11 (1999), 20

[2] K. Schmeide, V. Brendler, S. Pompe, M.Bubner, K.H. Heise, G. Bernhard: Sorption Kinetics in the System Uranium/Sulfate/Humic Acid/Ferrihydrite. in: eds.: F.H. Frimmel, G. Abbt-Braun: Symposium on refractory organic substances in the environment – Rose II. Karlsruhe 2000.

[3] R. Haas, F. D. Oeste: Passivsammler zur Wasseruntersuchung. UWSF-Z. Umweltchem. Oekotox. 13 (2001), 2-4