Sorbentu īpašību izmaiņas jonizējošā starojuma ietekmē

Projekta vadītāja: G.Ķizāne

Pašlaik ir zināmi neskaitāmi sorbenti ar dažādām sorbcijas īpašībām, tomēr arvien rodas nepieciešamība pēc sorbentiem ar uzlabotu sorbcijas spēju. Ir veikti pētījumi par dažādu sorbentu īpašību maiņu jonizējošā starojuma iedarbībā, tomēr nav pamata apgalvot, ka iespējas šai jomā ir izsmeltas. Vēl arvien nav apzinātas visas tādu sorbentu kā māli potenciālās īpašības. Literatūrā ir atrodami dati par mālu bāzes sorbentu īpatnējās virsmas izmaiņām pēc apstrādes ar gamma starojumu, taču informācija nav pilnīga – nav pētīts, kādu ietekmi jonizējošais starojums atstāj uz organomālu veidošanās pilnīgumu, kā arī nav pētīta sorbcijas spēja un jonu apmaiņas kapacitāte, apmainot neorganiskos jonus pret organiskajiem.

Gamma starojumam vai paātrinātu elektronu plūsmai iedarbojoties uz sorbentu, tā matricā veidojas radiācijas defekti, virsmas aktīvie centri un var notikt daļēja tā komponentu radiolīze. Šo fizikāli ķīmisko procesu rezultātā sorbents maina savas īpašības un līdz ar to arī sorbcijas efektivitāti. Radiācijas defekti sorbentu matricā var darboties kā papildus aktīvie centri sorbcijas procesā, savukārt radiācijas iedarbība uz organomālu organisko vielu piedevām var būt gan pozitīva, gan negatīva atkarībā no dotās piedevas īpašībām.

Latvijā kā sorbentus ir iespējams izmantot vietējās izejvielas – smektītu, kaolinītu, illītu u.c. mālus, to īpašību modificēšanai pašlaik pieejams lielas jaudas jonizējošā starojuma avots - LU lineārais elektronu paātrinātājs ELU-4, nākotnē arī Salaspils ciklotrons. Tā kā Būtiņģes naftas termināls atrodas tuvu Latvijas robežai, tad potenciālā vides piesārņojuma likvidēšanai nepieciešams lēts un efektīvs sorbents uz vietējo izejmateriālu bāzes.

Darba mērķis bija izvērtēt jonizējošā starojuma ietekmi uz Latvijas smektītu māliem un uz to bāzes veidoto organomālu sorbentiem. Darba uzdevumi mērķa sasniegšanai: veikt mālu apstrādi ar jonizējošo starojumu plašā dozu intervālā (0,001 MGy – 6 MGy) un novērtēt apstaroto paraugu sorbcijas īpašību izmaiņu, izmantojot dažādas instrumentālas metodes. Šai nolūkā māli apstrādāti ar virsmaktīvās vielas N-hekasdecilamonija hlorīda (1, NHDP) ūdens šķīdumu un pēc iegūto organomālu atdalīšanas centrifugāti analizēti, izmantojot UV spektrometriju.



Smektītu māliem ar vispārējo formulu (Ca, Na)(Mg, Al, Fe)2(OH)2[(Si, Al)4O10]•nH2O raksturīga trīskārtaina, t.s. „paketes” struktūra — divas ar tetraedru virsotnēm viena pret otru orientētu [SiO4]4- tetraedru kārtas, starp kurām atrodas AlO(OH) vai MgO(OH) oktaedru kārta (1. att.).


1. att. Smektītu mālu struktūra

Smektītu struktūru veidojošais pamatmotīvs ir negatīvi uzlādētā trīskārtainā alumosilikātu pakete (četrvērtīgais Si4+ ir daļēji izomorfi aizvietojies ar trīsvērtīgo Al3+), starp kurām izvietojušies viegli apmaināmi katjoni, kā Na+, K+, Mg2+, Ca2+ un H2O.

Apstrādājot smektītu mālus ar virsmaktīvajām vielām, šajā gadījumā ar NHDP, notiek vairākpakāpju sorbcijas process, kas attēlots 2. attēlā:


2. att. Organomālu veidošanās shēma

Sorbcijas process notiek pēc katjonu apmaiņas principa. Sākumā NHDP katjoni mālu starppakešu telpā novietojas horizontāli, savukārt, palielinoties NHDP koncentrācijai, notiek vertikāla grupēšanās, kas turpinās tik ilgi, kamēr uz mālu paketes ir negatīvi lādēti joni, respektīvi, sorbcijas kapacitāte ir atkarīga no negatīvo lādiņu daudzuma.

3. un 4. attēlā redzams, kā mainās N-heksadecilamonija jonu sorbcija mālos atkarībā no jonizējošā starojuma dozas lieluma.

3. att. N-Heksadecilpiridīnija hlorīda sorbcija Latvijas mālos atkarībā no jonizējošā starojuma dozas.

Kā redzams, NHDP sorbcija Latvijas mālos pēc to apstarošanas palielinās līdz pat 4 reizēm un paraugi, kas apstaroti ar 6 MGy lielu dozu, absorbē praktiski visu pievienoto NHDP, tas nozīmē, ka ir noskaidrota optimālā doza, ar kuru apstarojot pētītajā koncentrāciju intervālā (0 – 2,0 mmol/g) māli iegūst maksimālo sorbcijas spēju. Redzams, ka sorbcijas izoterma 6 MGy ir lineāra, tas liecina par to, ka sorbcijas maksimālā kapacitāte tomēr vēl nav sasniegta. Pētījumi jāturpina, apstrādājot mālus ar augstākām NHDP koncentrācijām, lai varētu noteikt maksimālo sorbcijas kapacitāti.

Latvijas smektītu māli ir noturīgi pret jonizējošo starojumu – ir nepieciešama relatīvi liela starojuma doza, lai jūtami uzlabotos mālu sorbcijas spējas (4. attēls).


4. att. N-Heksadecilpiridīnija hlorīda (2 mmol/g) sorbcijas spēja apstarotos smektīta mālos

Pētīto dozu intervālā netiek novērota mālu amorfizācija. Mālu paraugu rentgenspektroskopijas analīzes rezultāti liecina, ka būtiskas izmaiņas mālu kristāliskajā struktūrā jonizējošā starojuma ietekmē (0,01-6 MGy) nenotiek. Apstaroto mālu virsmas analīzes rezultāti arī parāda, ka mālu paraugu īpatnējā virsma ir maz atkarīga no saņemtās jonizējošā starojuma dozas.

Jonizējošā starojuma pozitīvā ietekme uz mālu sorbcijas spēju izskaidrojama ar to, ka starojuma ietekmē mālu struktūrā veidojas aktīvie centri – visticamāk tiek sarautas skābekļa saites, mālu paketes lādiņa blīvums pieaug, t.i., uz mālu pakešu virsmas rodas vairāk negatīvo jonu, pie kuriem piesaistīties N-heksadecilpiridīnija katjoniem.

Rezultātā var uzskatīt, ka ir iegūts sorbents ar modificētām īpašībām, paaugstinātu sorbcijas kapacitāti, kas ļaus izmantot jau zināmus sorbentus efektīvāk, turklāt jāatzīmē, ka sorbcijas spēja ir uzlabota pat līdz 4 reizēm. Turpinot pētīt jonizējošā starojuma ietekmi uz māliem, ir iespējama mālu pielietošana dažāda vides piesārņojuma likvidēšanai vai vides aizsardzībai no piesārņojuma, piemēram, radioaktīvo atkritumu glabāšanai un konservēšanai.

Lai uzsāktie pētījumi nezaudētu savu aktualitāti un lietderīgumu, jāturpina pētīt jonizējošā starojuma ietekme uz māliem, jānovērtē vai laika gaitā paaugstinātās mālu sorbcijas spējas saglabājas, vai notiek rekombinēšanās, kā rezultātā varētu zust to vērtīgās īpašības.

Nākotnē jānoskaidro dozas jaudas loma uz mālu fizikāli ķīmiskajām īpašībām, uz radiācijas defektu stabilitāti, kā arī jāizvērtē ekonomiski izdevīgākais variants potenciālai rūpnieciskās ražošanas attīstīšanai.