Научные достижения химического факультета
14.07.2023
Химики МГУ с коллегами получили новый класс экстрагентов для промышленной переработки отработанного ядерного топлива
Коллектив ученых
химического и физического факультетов МГУ, Курчатовского института и ИОНХ РАН
получил и исследовал новый класс лигандов для переработки отработанного
ядерного топлива. Полученные данные вместе с разработанным подходом к изучению
комплексных соединений в растворе позволят подобрать эффективный экстрагент для
выделения редкоземельных и переходных металлов из смесей. Результаты
исследования поддержаны грантом Минобрнауки России № 075-15-2022-1107 в рамках
национального проекта "Наука и университеты" и опубликованы в журнале
Solvent
Extraction and Ion Exchange.
Развитие атомной энергетики
не только приносит человечеству большое количество дешевой энергии, но и
заставляет задуматься о способах утилизации радиоактивных материалов и
отработанного ядерного топлива (ОЯТ). Когда реактор прекращает работу, в нем
остаются радионуклиды разной степени активности. В России переработка
реализуется по схеме замкнутого ядерно-топливного цикла: топливо извлекают из
реактора, затем выделяют уран и плутоний для повторного использования, а
остальные элементы переводят в безопасные формы для захоронения. Но не все
радионуклиды можно переработать одним и тем же способом: “Один из компонентов,
америций, мы можем “дожигать” в реакторе на быстрых нейтронах. Он превращается
в другие более короткоживущие радионуклиды, которые проще утилизировать. Но
вместе с америцием в ОЯТ присутствуют лантаноиды – нейтронные яды. Они снижают
эффективность работы реактора,”-- рассказывает автор работы, м.н.с. кафедры
радиохимии Химического факультета МГУ Екатерина Конопкина.
Для решения проблемы
технологи и исследователи предложили делить высокоактивные отходы на фракции со
схожими химическими или ядерно-физическими свойствами. Это помогает подобрать
матрицу для иммобилизации радионуклидов и безопасно захоронить их. Один из
способов разделить несколько элементов – жидкостнаяэкстракция ионов металлов из
раствора с помощью органических соединений – лигандов. Эффективность процесса
напрямую зависит от строения лиганда и механизма его взаимодействия с ионом.
Ранее ученые предложили экстрагенты на основе фенантролина – азотсодержащего полициклического
соединения. Но вскоре нашли еще одно интересное решение – лиганды на основе
пиридина, модифицированного фосфором – пиридиндифосфонаты. Они легче
синтезируются и обладают достаточной селективностью. Однако изучить механизм
взаимодействия металлов и лиганда в растворе оказалось непросто: “В работе мы
использовали несколько разных подходов, чтобы доказать строение образующихся
комплексов: спектроскопию рентгеновского поглощения EXAFS, ЯМР- и
спектрофотометрическое-титрование. Изучать строение соединения в растворе
трудно, так как для этой цели подходит немного методов. Результаты, полученные
только одним методом, часто не считаются достоверными,”-- поясняет Екатерина Конопкина, – мы провели экстракцию ряда лантаноидов из азотнокислых
раствора и установили состав образующихся комплексных соединений – ML и ML2
(где M-металл, L-лиганд). Кроме того, мы обнаружили зависимости между
некоторыми физическими и химическими параметрами комплексов. Все эти данные мы
сможем использовать не только в разработке новых лигандов, но и для создания
новых экстракционных систем ”.
На этом эксперименты с
лигандами не заканчиваются. Ученые уже исследуют селективность
пиридиндифосфонатов к d-элементам и создают потенциометрические сенсоры с этими
лигандами. Также продолжается работа по поиску более эффективных экстрагентов.
Вполне возможно, что пиридиндифосфонаты – еще одна ступень на пути к
многокомпонентным селективным экстракционным системам.
Ссылка на статью:
Ekaterina A. Konopkina, Petr I. Matveev, Anastasia V. Kharcheva, Tsagana B. Sumynova, Anton S. Pozdeev, Daniil A. Novichkov, Alexander L. Trigub, Paulina Kalle, Anna A. Kirsanova, Stepan N. Kalmykov, Vladimir G. Petrov & Nataliya E. Borisova
Solvent Extraction and Complexation Studies of Pyridine-di-Phosphonates with Lanthanides(III) in Solutions
Solvent Extraction and Ion Exchange, May 19, 2023, 1–27
https://doi.org/10.1080/07366299.2023.2214175
Текст: Екатерина Изергина/пресс-служба химического факультета МГУ
Автор фото: Юлия Чернова/пресс-служба химического факультета МГУ
