Российские ученые исследовали редкий минерал, способный поглощать цезий, и создали его искусственный аналог

Ученые Кольского научного центра Российской академии наук (КНЦ РАН) установили, что найденный в Мурманской области минерал армбрустерит может стать основой сорбента для улавливания радиоактивного цезия, присутствующего в жидких ядерных отходах. Авторы изучили свойства редкого минерала и синтезировали его искусственный аналог.

Современная атомная промышленность все активнее сталкивается с проблемой жидких радиоактивных отходов, прежде всего содержащих изотопы цезия — одного из наиболее опасных продуктов ядерных технологий. Создание надежного и селективного сорбента, способного извлекать именно Cs⁺, сегодня имеет огромное значение для экологической безопасности. И неожиданным кандидатом на эту роль оказался редчайший минерал Кольского региона — армбрустерит.

Исследователи лаборатории природоподобных технологий и техносферной безопасности Арктики, а также лаборатории синтеза и исследования минералоподобных функциональных материалов КНЦ РАН, Геологического института КНЦ РАН и Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН наглядно показали: природа уже создала почти идеальный материал для захвата цезия, нужно лишь научиться воспроизводить его искусственно.

Впервые минерал был обнаружен в 2005 году в пегматите на горе Кукисвумчорр в Хибинах. Геологи КНЦ РАН назвали его в честь швейцарского кристаллографа Томаса Армбрустера за его выдающийся вклад в структурную минералогию и кристаллографию, особенно за изучение богатых марганцем минералов. Химическая формула армбрустерита — K₅Na₆Mn³⁺Mn²⁺₁₄[Si₉O₂₂]₄(OH)₁₀ ∙ 4H₂O. Его кристаллическая структура состоит из гетерополиэдрических пакетов, включающих два тетраэдрических слоя кремнекислородных групп [Si₉O₂₂]⁸⁻, промежуточный слой октаэдров MnO₆ и NaO₆, внекаркасные катионы K⁺ и молекулы воды, расположенные в двумерной сети каналов.

По словам ученых, именно в структуре и кроется секрет поглощающей способности армбрустерита.

«Это сложный слоистый силикат с разветвленной системой каналов, где в природном состоянии располагаются ионы калия. Но именно эта, на первый взгляд, обычная деталь превращается в фундаментальное преимущество: в водных растворах калий почти полностью уступает свое место Cs⁺. Причем избирательность настолько высока, что даже в присутствии других катионов структура «предпочитает» выбирать именно цезий. Каркас при этом остается неизменным, что особенно важно для потенциального промышленного применения. Даже мягкая кислотная обработка, имитирующая реальные условия сточных вод, не разрушает минерал, а наоборот — она помогает освободить каналы, делая их готовыми для замещения», — отмечают авторы исследования.

Проблема заключается в том, что объемы природного армбрустерита настолько малы, что о промышленном применении говорить не приходится. Поэтому ученые КНЦ РАН поставили перед собой задачу создать синтетический аналог минерала со всеми необходимыми свойствами.

Эксперимент показал, что синтез армбрустерита возможен, но требует точной настройки условий (температура, время, соотношение реагентов). Чистый армбрустерит получить пока не удалось, но были синтезированы другие марганцево-силикатные фазы, а в одном случае — смесь серандита и армбрустерита.

Сейчас ученые собираются продолжить опыты по синтезу, оптимизируя его условия. Как только удастся синтезировать фазу, близкую к природному армбрустериту, ее протестируют на селективность к одновалентным катионам цезия и рубидия, особенно в условиях, имитирующих реальные промышленные стоки (кислая среда, наличие конкурирующих ионов и так далее). В планах — разработать на основе армбрустерита или его аналога новый селективный сорбент для очистки радиоактивных отходов.

Работа поддержана грантом РНФ.