Металл-органический каркас очистил воду от радиоактивного трития в семь раз эффективней

Китайские материаловеды добавили металл-органический каркас в колонны для очистки воды от трития. В нем существуют два пути переноса водорода, и в результате площадь поверхности возросла в 32 раза, а эффективность разделения — более чем в 7 раз. Статья опубликована в журнале Environmental Science & Technology.

Тритий — это радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада 12,3 года. В небольших количествах он образуется в атмосфере под действием космических лучей, а основным техногенным источником служат ядерные реакторы. В отличие от других радиоактивных загрязнений, которые существуют в виде ионов и солей, тритий встраивается непосредственно в молекулы воды, образуя прототритиевую воду ТHO (здесь T — атом трития, H — атом протия или «нормального» водорода). Такая вода неограниченно смешивается с обычной и по физическим свойствам практически неотличима от нее. Поэтому для человека и экосистем THO значительно опасней, чем газообразный тритий.

Сегодня самый распространенный способ очистки воды от трития — ректификация. Смесь многократно испаряют и конденсируют на высоких ректификационных колоннах. У HTO температура кипения чуть выше, а сама молекула тяжелее, поэтому с каждым циклом испарения конденсации она оказывается все ниже. Но разница между двумя веществами мала, из-за чего разделение длится долго и требует больших затрат энергии.

Повысить эффективность разделения сумели китайские материаловеды под руководством Шуао Вана (Shuao Wang) из Сучжоуского университета. Они нанесли на металлические насадки ректификационной колонны тонкое покрытие из металлоорганического каркаса NH₂-MIL-101(Cr). Этот пористый материал обладает разветвленной внутренней поверхностью и не только увеличивает площадь контакта между паром и жидкостью, но и сам участвует в обмене атомами водорода. 

Моделирование методом функционала плотности показало, что в NH₂-MIL-101(Cr) существуют два пути переноса водорода: через кластеры хрома и через аминогруппы (NH₂-). Последние взаимодействуют с молекулами воды, образуя сеть водородных связей, по которой атомы водорода и трития могут быстрее переходить между жидкостью, паром и поверхностью материала. Благодаря этому изотопы водорода быстрее перераспределяются между фазами, а эффективность ректификации возрастает. Авторы сравнили несколько похожих каркасов, в том числе MIL-101(Cr) без аминных групп, но лучше всего показал именно себя NH₂-MIL-101(Cr). 

В результате добавка 1,2 массового процента NH₂-MIL-101(Cr) позволила увеличить удельную площадь поверхности колонки в 32 раза — с 0,058 до 1,842 квадратного метра на грамм. Эффективность разделения (выраженная в ) выросла в 7,3 раза. Таким образом, для достижения одинаковой степени очистки высоту слоя насадки в колоннах можно уменьшить в те же 7 раз. А значит, сократится и время разделения.

Покрытие устойчиво к температурам до 270 градусов Цельсия и остается стабильным в течение трех недель непрерывной работы. Авторы отмечают, что технология совместима с существующими ректификационными колоннами и не требует принципиально нового оборудования. Если метод удастся масштабировать, он может сделать очистку отходов атомных электростанций существенно проще и дешевле. 

Ранее мы рассказывали о том, как кипячение позволило удалить из воды 80 процентов микропластика. А о строении и свойствах металл-органических каркасов можно почитать в нашем материале.