RU2817978C1 - Sorbent for removal of radionuclides from natural and waste water and method of its production - Google Patents
Sorbent for removal of radionuclides from natural and waste water and method of its production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2817978C1 RU2817978C1 RU2023112763A RU2023112763A RU2817978C1 RU 2817978 C1 RU2817978 C1 RU 2817978C1 RU 2023112763 A RU2023112763 A RU 2023112763A RU 2023112763 A RU2023112763 A RU 2023112763A RU 2817978 C1 RU2817978 C1 RU 2817978C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sorbent
- radionuclides
- natural
- carbon
- waste water
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 title claims abstract description 6
- 239000008239 natural water Substances 0.000 title abstract 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 13
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 45
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 claims abstract description 14
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 235000004385 Conyza canadensis Nutrition 0.000 claims description 15
- 235000007239 Heracleum sphondylium Nutrition 0.000 claims description 15
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 241000222666 Boerhavia diffusa Species 0.000 claims 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 19
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 16
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 abstract description 15
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 abstract description 12
- 238000011109 contamination Methods 0.000 abstract description 9
- 241001397478 Heracleum sosnowskyi Species 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 20
- 239000000047 product Substances 0.000 description 15
- 244000045393 Heracleum sphondylium Species 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 10
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 10
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 9
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 9
- JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N uranium(0) Chemical compound [U] JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052770 Uranium Inorganic materials 0.000 description 5
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 description 5
- 235000014633 carbohydrates Nutrition 0.000 description 5
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 5
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 5
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 5
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 5
- 239000002055 nanoplate Substances 0.000 description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 5
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 5
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 4
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 4
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 4
- PAWQVTBBRAZDMG-UHFFFAOYSA-N 2-(3-bromo-2-fluorophenyl)acetic acid Chemical compound OC(=O)CC1=CC=CC(Br)=C1F PAWQVTBBRAZDMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N N-Heptane Chemical compound CCCCCCC IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 description 3
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 3
- 239000002717 carbon nanostructure Substances 0.000 description 3
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 3
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 description 3
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 3
- 229920005610 lignin Polymers 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 3
- 239000003415 peat Substances 0.000 description 3
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 description 3
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 3
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 3
- ZSLUVFAKFWKJRC-UHFFFAOYSA-N thorium Chemical compound [Th] ZSLUVFAKFWKJRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000007319 Avena orientalis Nutrition 0.000 description 2
- 244000075850 Avena orientalis Species 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 2
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 2
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N Pentane Chemical compound CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 2
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 2
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 description 2
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 2
- 239000002154 agricultural waste Substances 0.000 description 2
- 229910000323 aluminium silicate Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 2
- 229920001222 biopolymer Polymers 0.000 description 2
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 2
- 230000005183 environmental health Effects 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- OVBPIULPVIDEAO-LBPRGKRZSA-N folic acid Chemical compound C=1N=C2NC(N)=NC(=O)C2=NC=1CNC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CCC(O)=O)C(O)=O)C=C1 OVBPIULPVIDEAO-LBPRGKRZSA-N 0.000 description 2
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 2
- 150000004676 glycans Chemical class 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 2
- 239000008240 homogeneous mixture Substances 0.000 description 2
- 239000010903 husk Substances 0.000 description 2
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 2
- QWTDNUCVQCZILF-UHFFFAOYSA-N isopentane Chemical compound CCC(C)C QWTDNUCVQCZILF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 2
- 235000010755 mineral Nutrition 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 2
- 229920001277 pectin Polymers 0.000 description 2
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 2
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 2
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 2
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 2
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 2
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 description 2
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000002371 ultraviolet--visible spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000000341 volatile oil Substances 0.000 description 2
- 241000609240 Ambelania acida Species 0.000 description 1
- USFZMSVCRYTOJT-UHFFFAOYSA-N Ammonium acetate Chemical compound N.CC(O)=O USFZMSVCRYTOJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005695 Ammonium acetate Substances 0.000 description 1
- 241000208173 Apiaceae Species 0.000 description 1
- 241000228212 Aspergillus Species 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 238000004438 BET method Methods 0.000 description 1
- 235000016068 Berberis vulgaris Nutrition 0.000 description 1
- 241000335053 Beta vulgaris Species 0.000 description 1
- 241000219310 Beta vulgaris subsp. vulgaris Species 0.000 description 1
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910002483 Cu Ka Inorganic materials 0.000 description 1
- 229930091371 Fructose Natural products 0.000 description 1
- 239000005715 Fructose Substances 0.000 description 1
- RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N Fructose Chemical compound OC[C@H]1O[C@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 1
- 241000117544 Heracleum grossheimii Species 0.000 description 1
- 240000005979 Hordeum vulgare Species 0.000 description 1
- 235000007340 Hordeum vulgare Nutrition 0.000 description 1
- 239000005909 Kieselgur Substances 0.000 description 1
- 240000006240 Linum usitatissimum Species 0.000 description 1
- 235000004431 Linum usitatissimum Nutrition 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OVBPIULPVIDEAO-UHFFFAOYSA-N N-Pteroyl-L-glutaminsaeure Natural products C=1N=C2NC(N)=NC(=O)C2=NC=1CNC1=CC=C(C(=O)NC(CCC(O)=O)C(O)=O)C=C1 OVBPIULPVIDEAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GXCLVBGFBYZDAG-UHFFFAOYSA-N N-[2-(1H-indol-3-yl)ethyl]-N-methylprop-2-en-1-amine Chemical compound CN(CCC1=CNC2=C1C=CC=C2)CC=C GXCLVBGFBYZDAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000014676 Phragmites communis Nutrition 0.000 description 1
- 241000218657 Picea Species 0.000 description 1
- 241000209056 Secale Species 0.000 description 1
- 235000007238 Secale cereale Nutrition 0.000 description 1
- 244000138286 Sorghum saccharatum Species 0.000 description 1
- 235000011684 Sorghum saccharatum Nutrition 0.000 description 1
- 244000062793 Sorghum vulgare Species 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-NJFSPNSNSA-N Strontium-90 Chemical compound [90Sr] CIOAGBVUUVVLOB-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 1
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 description 1
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 description 1
- 235000021536 Sugar beet Nutrition 0.000 description 1
- 241000223259 Trichoderma Species 0.000 description 1
- 241000209140 Triticum Species 0.000 description 1
- 235000021307 Triticum Nutrition 0.000 description 1
- 229910021536 Zeolite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- 229940037003 alum Drugs 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229940043376 ammonium acetate Drugs 0.000 description 1
- 235000019257 ammonium acetate Nutrition 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 108010054251 arabinogalactan proteins Proteins 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 239000010905 bagasse Substances 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 1
- 230000000975 bioactive effect Effects 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 1
- 150000001722 carbon compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 1
- TVFDJXOCXUVLDH-OUBTZVSYSA-N cesium-134 Chemical compound [134Cs] TVFDJXOCXUVLDH-OUBTZVSYSA-N 0.000 description 1
- TVFDJXOCXUVLDH-RNFDNDRNSA-N cesium-137 Chemical compound [137Cs] TVFDJXOCXUVLDH-RNFDNDRNSA-N 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 1
- 229910052570 clay Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000000701 coagulant Substances 0.000 description 1
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 1
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 238000002447 crystallographic data Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- AFABGHUZZDYHJO-UHFFFAOYSA-N dimethyl butane Natural products CCCC(C)C AFABGHUZZDYHJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005274 electronic transitions Effects 0.000 description 1
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 1
- 239000011790 ferrous sulphate Substances 0.000 description 1
- 235000003891 ferrous sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 229960000304 folic acid Drugs 0.000 description 1
- 235000019152 folic acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000011724 folic acid Substances 0.000 description 1
- 235000011389 fruit/vegetable juice Nutrition 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 1
- ZDXPYRJPNDTMRX-UHFFFAOYSA-N glutamine Natural products OC(=O)C(N)CCC(N)=O ZDXPYRJPNDTMRX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 1
- 239000004463 hay Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000416 hydrocolloid Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 239000003456 ion exchange resin Substances 0.000 description 1
- -1 ion exchange) Substances 0.000 description 1
- 229920003303 ion-exchange polymer Polymers 0.000 description 1
- BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L iron(2+) sulfate (anhydrous) Chemical compound [Fe+2].[O-]S([O-])(=O)=O BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910000359 iron(II) sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003077 lignite Substances 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000004185 liver Anatomy 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 210000004072 lung Anatomy 0.000 description 1
- 210000001165 lymph node Anatomy 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 235000019713 millet Nutrition 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 150000002772 monosaccharides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003562 morphometric effect Effects 0.000 description 1
- 238000013425 morphometry Methods 0.000 description 1
- 239000002064 nanoplatelet Substances 0.000 description 1
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 description 1
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001542 oligosaccharide Polymers 0.000 description 1
- 150000002482 oligosaccharides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 210000000496 pancreas Anatomy 0.000 description 1
- 238000009304 pastoral farming Methods 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 239000001814 pectin Substances 0.000 description 1
- 235000010987 pectin Nutrition 0.000 description 1
- 239000010451 perlite Substances 0.000 description 1
- 235000019362 perlite Nutrition 0.000 description 1
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 150000003013 phosphoric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011197 physicochemical method Methods 0.000 description 1
- 229920001195 polyisoprene Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 230000005180 public health Effects 0.000 description 1
- 239000008262 pumice Substances 0.000 description 1
- 238000001812 pycnometry Methods 0.000 description 1
- 239000002901 radioactive waste Substances 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 235000017550 sodium carbonate Nutrition 0.000 description 1
- 229910000029 sodium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000002798 spectrophotometry method Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 229960004793 sucrose Drugs 0.000 description 1
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 description 1
- 239000008400 supply water Substances 0.000 description 1
- 239000002352 surface water Substances 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 239000000454 talc Substances 0.000 description 1
- 229910052623 talc Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000018553 tannin Nutrition 0.000 description 1
- 229920001864 tannin Polymers 0.000 description 1
- 239000001648 tannin Substances 0.000 description 1
- 239000008399 tap water Substances 0.000 description 1
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 description 1
- 239000010784 textile waste Substances 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 230000017260 vegetative to reproductive phase transition of meristem Effects 0.000 description 1
- 239000010455 vermiculite Substances 0.000 description 1
- 229910052902 vermiculite Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019354 vermiculite Nutrition 0.000 description 1
- 235000019154 vitamin C Nutrition 0.000 description 1
- 239000011718 vitamin C Substances 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 235000015099 wheat brans Nutrition 0.000 description 1
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к прикладной экологии и биотехнологии и может быть использовано для удаления радионуклидов из природных и сточных вод, а также для восстановления земель и сельскохозяйственных угодий, подвергшихся радиоактивному заражению.The invention relates to applied ecology and biotechnology and can be used to remove radionuclides from natural and waste waters, as well as to restore lands and agricultural lands that have been subjected to radioactive contamination.
Радионуклиды - это радиоактивные изотопы различных элементов, например, урана, в которых происходит самопроизвольный распад атомных ядер вследствие их внутренней неустойчивости и испускание ионизирующих излучений, а само явление распада ядер называется радиоактивностью.Radionuclides are radioactive isotopes of various elements, for example, uranium, in which spontaneous decay of atomic nuclei occurs due to their internal instability and the emission of ionizing radiation, and the phenomenon of nuclear decay itself is called radioactivity.
Явление радиоактивности было открыто более века назад и с тех пор ученые подробно изучили оказываемый им вред живым существам. Основной угрозой радиации является ее разрушительное влияние на биологические молекулы, которые в зависимости от интенсивности и времени воздействия могут быть повреждены необратимо. Воздействие радиации на организм человека приводит к повреждениям лимфатических узлов, легких, печени, поджелудочной железы и, как следствие, к онкологическим заболеваниям.The phenomenon of radioactivity was discovered more than a century ago, and since then scientists have studied in detail the harm it causes to living beings. The main threat of radiation is its destructive effect on biological molecules, which, depending on the intensity and time of exposure, can be irreversibly damaged. The impact of radiation on the human body leads to damage to the lymph nodes, lungs, liver, pancreas and, as a consequence, to cancer.
Под радиоактивным загрязнением воды понимают ее насыщение радионуклидами. Этот процесс может происходить по естественным и искусственным причинам.Radioactive contamination of water means its saturation with radionuclides. This process can occur due to natural and artificial reasons.
Естественный процесс попадания в водоем излучающих радиацию элементов связан с контактом дождевых стоков или подземных источников с природными радиоактивными минералами. В большинстве природных вод диапазон концентраций растворенного урана и его солей составляет 10-1-10 мкг/л, но для вод, связанных с месторождениями урановых руд, концентрации урана могут превышать 104 мкг/л [Bjorklund G., Semenova Y., Pivina L. et al. // Arch. Toxicol. 2020. V. 94. P. 1551]. По рекомендации Всемирной Организации Здравоохранения допустимая концентрация урана в природных водах не должна превышать 30 мкг/л [Frisbie S.H., Mitchell E.J., Dustin Н. et al. // Environmental health perspectives. 2012. V. 120. №6. P. 775.].The natural process of entry of radiation-emitting elements into a body of water is associated with the contact of rainwater runoff or underground sources with natural radioactive minerals. In most natural waters, the range of concentrations of dissolved uranium and its salts is 10 -1 -10 µg/l, but for waters associated with uranium ore deposits, uranium concentrations can exceed 10 4 µg/l [Bjorklund G., Semenova Y., Pivina L. et al. //Arch. Toxicol. 2020. V. 94. P. 1551]. According to the recommendations of the World Health Organization, the permissible concentration of uranium in natural waters should not exceed 30 μg/l [Frisbie SH, Mitchell EJ, Dustin N. et al. // Environmental health perspectives. 2012. V. 120. No. 6. P. 775].
Проблема накопления и распространения искусственных радиоактивных загрязнений в окружающей среде стала весьма актуальной в последние десятилетия в связи с развитием ядерных и изотопных технологий. Главная причина появления в воде источников радиации связана с аварийными ситуациями на объектах атомной промышленности, а также с нарушениями технологии обращения с производимыми ими радиоактивными отходами. Кроме того, радиоактивное заражение водоемов возможно в случаях применения радиоактивных боеприпасов в зонах военных действий.The problem of accumulation and spread of artificial radioactive contamination in the environment has become very relevant in recent decades in connection with the development of nuclear and isotope technologies. The main reason for the appearance of radiation sources in water is associated with emergency situations at nuclear industry facilities, as well as with violations of the technology for handling the radioactive waste they produce. In addition, radioactive contamination of water bodies is possible in cases of the use of radioactive ammunition in war zones.
Антропогенные процессы, связанные с осаждением, растворением и миграцией радионуклидов, постепенно приводят к загрязнению как подземных, так и поверхностных вод. Затем радиоактивные элементы могут включаться в пищевые цепи за счет миграции с водой по пути "почва-растение-животное-человек" [Brugge D., deLemos J.L., Oldmixon В. // Reviews on Environmental Health. 2005. V. 20. №3. P. 177. https://doi.org/10.1515/REVEH.2005.20.3.177]. Радиоактивное загрязнение воды весьма опасно даже при очень малых концентрациях радионуклидов [Banning A., Benfer М. // Int. J. Environ. Res. Public Health. 2017. V. 14. P. 927. https://doi.org/10.3390/ijerph14080927].Anthropogenic processes associated with the deposition, dissolution and migration of radionuclides gradually lead to contamination of both groundwater and surface waters. Then radioactive elements can be included in food chains by migrating with water along the soil-plant-animal-human pathway [Brugge D., deLemos J.L., Oldmixon B. // Reviews on Environmental Health. 2005. V. 20. No. 3. P. 177. https://doi.org/10.1515/REVEH.2005.20.3.177]. Radioactive contamination of water is very dangerous even at very low concentrations of radionuclides [Banning A., Benfer M. // Int. J. Environ. Res. Public Health. 2017. V. 14. P. 927. https://doi.org/10.3390/ijerph14080927].
В связи с этим актуальным является поиск путей эффективной очистки природных вод от радиоактивного загрязнения [Кузнецов Ю.В., Щебетковский В.Н., Трусов А.Г. Основы очистки воды от радиоактивных загрязнений. - М.: Атомиздат. 1974, 366 с]. Для этого применяют различные способы: простое отстаивание, коагулирование с последующим отстаиванием, фильтрование, перегонку. Первый, самый простой способ позволяет удалить только нерастворимые радионуклиды и аэрозоли. Если же применить коагулянты (квасцы, глину, кальцинированную соду, сульфат железа, фосфаты), то можно удалить до 40% стронция-90, цезия-134 и цезия-137. Фильтрованием через песок, почву, торф, гравий можно достичь очистки до 70- 85%.In this regard, it is relevant to search for ways to effectively purify natural waters from radioactive contamination [Kuznetsov Yu.V., Shchebetkovsky V.N., Trusov A.G. Basics of water purification from radioactive contamination. - M.: Atomizdat. 1974, 366 pp]. For this, various methods are used: simple settling, coagulation followed by settling, filtration, distillation. The first, simplest method allows you to remove only insoluble radionuclides and aerosols. If you use coagulants (alum, clay, soda ash, ferrous sulfate, phosphates), you can remove up to 40% of strontium-90, cesium-134 and cesium-137. By filtering through sand, soil, peat, gravel, purification of up to 70-85% can be achieved.
Более полное удаление радионуклидов из воды (в том числе и растворенных) достигается при перегонке или пропускании ее через ионообменные смолы. Так, в соответствии с Методическими указаниями Роспотребнадзора применяют следующие методы очистки воды от радионуклидов: физические (дистилляция, дегазация), химические (реагентные, ионного обмена), мембранные, электрохимические и комбинированные [МУ 2.6.1.1981-05. Ионизирующее излучение, радиационная безопасность. Радиационный контроль и гигиеническая оценка источников питьевого водоснабжения и питьевой воды по показателям радиационной безопасности. Оптимизация защитных мероприятий источников питьевого водоснабжения с повышенным содержанием радионуклидов. Методические указания. Утв. Роспотребнадзором 25.04.2005 (ред. от 04.08.2010)].More complete removal of radionuclides from water (including dissolved ones) is achieved by distillation or passing it through ion exchange resins. Thus, in accordance with the Methodological Instructions of Rospotrebnadzor, the following methods of water purification from radionuclides are used: physical (distillation, degassing), chemical (reagent, ion exchange), membrane, electrochemical and combined [MU 2.6.1.1981-05. Ionizing radiation, radiation safety. Radiation monitoring and hygienic assessment of sources of drinking water supply and drinking water based on radiation safety indicators. Optimization of protective measures for drinking water supply sources with a high content of radionuclides. Methodical instructions. Approved Rospotrebnadzor 04/25/2005 (as amended on 08/04/2010)].
Разработка эффективных сорбционных материалов для удаления радионуклидов из воды остается актуальной задачей [Мясоедов Б.Ф. Вопр. радиац. безопасности, 1997, №1, с. 3-17; Мясоедова Г.В., Никашина В.А. Сорбционные материалы для извлечения радионуклидов из водных сред. - Рос. Хим. Журнал, 2006, т. L, №5, с. 55-63].The development of effective sorption materials for removing radionuclides from water remains an urgent task [Myasoedov B.F. Question radiation Security, 1997, No. 1, p. 3-17; Myasoedova G.V., Nikashina V.A. Sorption materials for the extraction of radionuclides from aqueous media. - Ross. Chem. Journal, 2006, vol. L, no. 5, p. 55-63].
Из физико-химических методов наиболее часто используется очистка воды от радионуклидов с помощью адсорбентов неорганической природы - песок, резиновая крошка, перлит, пемза, лигнин, тальк, снег (лед), меловой порошок, отходы текстильной промышленности, вермикулит, цеолит и некоторые другие материалы. При этом необходимо учитывать, что в результате обработки воды могут образовываться отходы с повышенным содержанием радионуклидов.Of the physicochemical methods, the most commonly used is purification of water from radionuclides using adsorbents of inorganic nature - sand, rubber crumb, perlite, pumice, lignin, talc, snow (ice), chalk powder, textile waste, vermiculite, zeolite and some other materials . It is necessary to take into account that as a result of water treatment, waste with a high content of radionuclides can be generated.
Так, хорошо зарекомендовали себя алюмосиликатные сорбенты на основе микродисперсного порошка алюминия и кремнийсодержащих соединений, обладающие высокой удельной поверхностью от 700 до 1000 м2/г [Шилина А.С., Милинчук В.К., Ананьева О.А. Извлечение радионуклидов из водных сред новым высокотермостойким алюмосиликатным сорбентом. // Известия вузов. Ядерная энергетика, 2011, №3, с. 92-99].Thus, aluminosilicate sorbents based on microdispersed aluminum powder and silicon-containing compounds, having a high specific surface area of 700 to 1000 m 2 /g, have proven themselves well [Shilina A.S., Milinchuk V.K., Ananyeva O.A. Extraction of radionuclides from aqueous media with a new highly heat-resistant aluminosilicate sorbent. // News of universities. Nuclear Energy, 2011, No. 3, p. 92-99].
Наряду с неорганическими сорбентами активно разрабатываются разнообразные сорбенты на основе органического сырья и отходов сельскохозяйственного производства. Твердые сорбенты растительного происхождения - это древесные опилки, лигнин, торф, торфяной мох, активированный уголь, бурый уголь, кокс, рисовая шелуха, кукурузная лузга, диатомовая земля, солома, сено и другие.Along with inorganic sorbents, various sorbents based on organic raw materials and agricultural waste are being actively developed. Solid sorbents of plant origin are sawdust, lignin, peat, peat moss, activated carbon, brown coal, coke, rice husks, corn husks, diatomaceous earth, straw, hay and others.
Известен способ получения сорбентов для очистки загрязненных сред от радионуклидов и тяжелых металлов из полисахаридсодержащего сырья (свекловичный жом, солодовые ростки, пшеничные отруби, биомасса мицелиальных грибов Trichoderma или Aspergillus) путем термоокисления измельченного сырья при температуре 300-600°С до потери 70-75% массы с последующим охлаждением для предотвращения золообразования, сушкой и измельчением (патент RU 2062646, Заявка: 93 93036678 от 15.07.1993). Недостатком способа являются ограниченность сырьевых источников, низкий выход продукта (не более 30%) и достаточно высокая его стоимость, определяемая технологией получения и переработки исходного сырья.There is a known method for producing sorbents for purifying contaminated environments from radionuclides and heavy metals from polysaccharide-containing raw materials (beet pulp, malt sprouts, wheat bran, biomass of filamentous fungi Trichoderma or Aspergillus) by thermal oxidation of crushed raw materials at a temperature of 300-600°C until a loss of 70-75% mass followed by cooling to prevent ash formation, drying and grinding (patent RU 2062646, Application: 93 93036678 dated 07/15/1993). The disadvantages of this method are the limited sources of raw materials, low product yield (no more than 30%) and its rather high cost, determined by the technology for obtaining and processing the raw materials.
Известен способ получения сорбента радионуклидов из воздушно-сухой овсяной соломы (патент RU 2163505, заявка 2000105018 от 29.02.2000), включающий механическое измельчение соломы на вибрационной мельнице до порошкообразного состояния и последующее суспендирование раствором гидроксида натрия при температуре кипения в течение 2-5 ч. Недостатком способа является недостаточная эффективность сорбции при низких концентрациях радионуклидов.There is a known method for producing radionuclide sorbent from air-dried oat straw (patent RU 2163505, application 2000105018 dated 02/29/2000), including mechanical grinding of the straw in a vibration mill to a powder state and subsequent suspension with a solution of sodium hydroxide at boiling temperature for 2-5 hours. The disadvantage of this method is the insufficient efficiency of sorption at low concentrations of radionuclides.
Полученные таким способом натуральные сорбенты могут применяться для грубой очистки водоемов с сильным радиационным загрязнением.Natural sorbents obtained in this way can be used for rough cleaning of water bodies with severe radiation pollution.
Известен способ получения углеродного сорбента из стеблей тростника (патент RU 2567311, Заявка: 2014126537/05 от 30.06.2014), включающий измельчение, нагрев при 450-500°С в течение 10-15 минут до потери 70% массы, обработку раствором 5% азотной кислоты с целью извлечения из сорбента поверхностных минеральных примесей, промывку в воде и высушивание при 100-150°С до постоянной массы. Недостаток указанного способа заключается в сложности технологической схемы получения данного сорбента, приводящей, в частности, к образованию большого количества технологической воды, требующей дополнительной очистки.There is a known method for producing carbon sorbent from reed stems (patent RU 2567311, Application: 2014126537/05 dated June 30, 2014), including grinding, heating at 450-500°C for 10-15 minutes until 70% of the mass is lost, treatment with a 5% solution nitric acid in order to extract surface mineral impurities from the sorbent, washing in water and drying at 100-150°C to constant weight. The disadvantage of this method is the complexity of the technological scheme for obtaining this sorbent, which leads, in particular, to the formation of a large amount of process water, requiring additional purification.
Известен способ получения углеродного сорбента из органических веществ природного происхождения (патент RU 2277967, заявка: 2004104465/15 от 17.07.2001), при этом качестве сырья используют, в частности, жом, сахарное сорго, сахарную свеклу, рис, пшеницу, кукурузу, рожь, ячмень, овес, просо, луб, лен и многое другое. Указанный способ включает предварительную обработку исходного сырья (увлажнение), в частности, обработку кипятком. Сырье погружают в кипящую водопроводную воду на 1-30 минут, затем удаляют лишнюю воду. Таким способом на этой стадии удаляют некоторые растворимые в горячей воде компоненты. Предварительную обработку исходного сырья возможно осуществлять, используя летучие реагенты. Так, сырье увлажняют летучими реагентами, например спиртом, ацетоном, н-гептаном, н-пентаном и изопентаном. Данная предварительная обработка приводит к разбуханию и лучшему взаимодействию исходного материала с окислительной средой. Недостатки данного способа заключаются в наличии таких стадий, как контактирование исходного сырья с горячей водой и со спиртом, в длительности и сложности проведения используемой температурной обработки, что приводит, в том числе, к необходимости очистки образующейся технологической воды, к дополнительным энергозатратам.There is a known method for producing carbon sorbent from organic substances of natural origin (patent RU 2277967, application: 2004104465/15 dated July 17, 2001), in which, in particular, bagasse, sweet sorghum, sugar beets, rice, wheat, corn, rye are used as raw materials , barley, oats, millet, bast, flax and much more. This method includes pre-treatment of the feedstock (humidification), in particular, treatment with boiling water. The raw materials are immersed in boiling tap water for 1-30 minutes, then excess water is removed. In this way, some hot water soluble components are removed at this stage. Pre-treatment of the feedstock can be carried out using volatile reagents. Thus, the raw materials are moistened with volatile reagents, for example alcohol, acetone, n-heptane, n-pentane and isopentane. This pre-treatment leads to swelling and better interaction of the starting material with the oxidizing environment. The disadvantages of this method are the presence of such stages as contacting the feedstock with hot water and alcohol, the duration and complexity of the temperature treatment used, which leads, among other things, to the need to purify the resulting process water and additional energy costs.
Сопоставление известных способов получения углеродных сорбентов показывает, что обработка органического сырья различными физико-химическими способами, в частности, методом карбонизации при высокой температуре без доступа кислорода, позволяет придать конечному продукту свойства увеличенной сорбционной емкости, повышения эффективности удаления радионуклидов за счет образования в составе сорбента углеродных структур с развитой активной поверхностью. В пределе наилучшим сорбентом радионуклидов мог бы быть чистый наноструктурный пористый углерод.A comparison of known methods for producing carbon sorbents shows that the processing of organic raw materials by various physical and chemical methods, in particular, the method of carbonization at high temperatures without oxygen, makes it possible to give the final product the properties of increased sorption capacity, increasing the efficiency of radionuclide removal due to the formation of carbon compounds in the sorbent structures with a developed active surface. In the limit, the best sorbent for radionuclides could be pure nanostructured porous carbon.
Известны способы получения пористых углеродных материалов из различных видов моносахаридов, олигосахаридов, крахмала методами пиролиза и химического окисления [Попович А.А., Онищенко Д.В., Курявый В.Г. Получение и модифицирование анодных материалов из возобновляемого растительного сырья. Электронный научный журнал «Исследовано в России», 954, http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2007/092pdf; Патент РФ №2375301, Заявка 2008127009 от 02.07.2008]. В этих процессах углеводы подвергаются пиролизу путем прямого длительного нагревания исходного сырья при температуре свыше 500°С без доступа воздуха или в присутствии определенного количества окислителей.There are known methods for producing porous carbon materials from various types of monosaccharides, oligosaccharides, starch by methods of pyrolysis and chemical oxidation [Popovich A.A., Onishchenko D.V., Kuryavyi V.G. Production and modification of anode materials from renewable plant materials. Electronic scientific journal “Researched in Russia”, 954, http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2007/092pdf; RF Patent No. 2375301, Application 2008127009 dated 07/02/2008]. In these processes, carbohydrates are subjected to pyrolysis by direct long-term heating of the feedstock at temperatures above 500°C without access of air or in the presence of a certain amount of oxidizing agents.
Также известен способ получения углеродного материала [Онищенко Д.В. «Технология получения анодных материалов для литий-ионных (полимерных) аккумуляторов из возобновляемого растительного сырья и отходов сельскохозяйственных культур». 2008 г., Владивосток], сущность которого в том, что углеродный материал получен из тростникового сахара многоступенчатым пиролизом в кварцевом реакторе без доступа кислорода при температуре 900°С с последующим измельчением полученного углерода до порошка с размером частиц 14 мкм.There is also a known method for producing carbon material [Onishchenko D.V. “Technology for producing anode materials for lithium-ion (polymer) batteries from renewable plant materials and agricultural waste.” 2008, Vladivostok], the essence of which is that the carbon material is obtained from cane sugar by multi-stage pyrolysis in a quartz reactor without oxygen at a temperature of 900°C, followed by grinding the resulting carbon to a powder with a particle size of 14 microns.
Эти технологии энергозатратам, процесс пиролиза занимает несколько часов. Кроме того, полученные частицы углерода имеют глобулярную структуру, с относительно небольшой развернутой поверхностью и, как правило, требуют дополнительной физико-химической активации водяным паром и химическими реагентами для дополнительного вскрытия замкнутых пор.These technologies are energy intensive; the pyrolysis process takes several hours. In addition, the resulting carbon particles have a globular structure, with a relatively small developed surface and, as a rule, require additional physical and chemical activation with water vapor and chemical reagents for additional opening of closed pores.
Наибольший интерес представляет способ получения вспененного наноструктурного углерода для модификации резин и каучуков, при производстве высокоемких конденсаторов и композитных материалов (патент RU 2516542, заявка: 2012120002/05 от 29.03.2012) с объемной плотностью 0,006 г/см3 и удельной поверхностью не менее 150 м2/г. Тонкоизмельченную смесь, содержащую, мас. ч.: углевод - 100, окислитель - 200, помещают в термостойкий сосуд, закрытый сетчатой термостойкой крышкой, нагревают в печи до 150-250°С. Пиролиз смеси ведут в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при нагреве до 900°С со скоростью 20-30°С/мин с выдержкой при этой температуре 15-30 минут и отведении избытка выделяемого газа. В качестве углевода используют сахар, глюкозу, фруктозу или крахмал, а в качестве окислителя - азотнокислый аммоний. Однако полученный таким способом продукт весьма дорог, для его производства требуется дорогостоящее высокоочищенное углеводное сырье, поэтому его применение экономически оправдано только при производстве изделий с высокой добавленной стоимостью.Of greatest interest is the method of producing foamed nanostructured carbon for the modification of rubbers and caoutchoucs, in the production of high-capacity capacitors and composite materials (patent RU 2516542, application: 2012120002/05 dated March 29, 2012) with a bulk density of 0.006 g/cm 3 and a specific surface area of at least 150 m 2 /g. Finely ground mixture containing, wt. parts: carbohydrate - 100, oxidizing agent - 200, placed in a heat-resistant vessel, closed with a mesh heat-resistant lid, heated in an oven to 150-250°C. Pyrolysis of the mixture is carried out in the mode of self-propagating high-temperature synthesis by heating to 900°C at a rate of 20-30°C/min, holding at this temperature for 15-30 minutes and removing the excess gas released. Sugar, glucose, fructose or starch are used as carbohydrates, and ammonium nitrate is used as an oxidizing agent. However, the product obtained in this way is very expensive; its production requires expensive, highly purified carbohydrate raw materials, so its use is economically justified only in the production of products with high added value.
Также показано, что образцы малослойного графена, синтезированные карбонизацией растительных материалов (лигнин, целлюлоза и кора ели) в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, являются эффективными сорбентами в отношении радионуклидов [Vozniakovskii A. et al. Carbon nanomaterials based on plant biopolymers as radionuclides sorbent // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. - 2019. - C. 1-4; Карманов А. П., Возняковский А.П., Кочева Л.С., Рачкова Н.Г., Демин В.А., Богданович Н.И. 2D углеродные наноматериалы как перспективные адсорбенты урана. // Физикохимия поверхности и защита материалов. - 2021, т. 57, №5, с. 477-486].It has also been shown that samples of few-layer graphene synthesized by carbonization of plant materials (lignin, cellulose and spruce bark) under conditions of self-propagating high-temperature synthesis are effective sorbents for radionuclides [Vozniakovskii A. et al. Carbon nanomaterials based on plant biopolymers as radionuclides sorbent // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. - 2019. - pp. 1-4; Karmanov A.P., Voznyakovsky A.P., Kocheva L.S., Rachkova N.G., Demin V.A., Bogdanovich N.I. 2D carbon nanomaterials as promising uranium adsorbents. // Physical chemistry of surfaces and protection of materials. - 2021, vol. 57, no. 5, p. 477-486].
Существенным фактором удешевления способа является выбор более дешевого и доступного органического сырья, которое может быть эффективно подвергнуто карбонизации с использованием метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. В качестве такового нами был избран борщевик Сосновского (Heracléum sosnówskyi). По имеющимся данным биомасса этого растения кроме углеводных биополимеров также содержит около 10% Сахаров, до 16% белков, дубильные вещества, эфирные масла, глютамин, витамины С и Р, фолиевую кислоту, галактан, арабан, фуранокумарины, макро- и микроэлементы [Jakubska-Busse A., Śliwiński М., Kobyłka М. Identification of bioactive components of essential oils in Heracleum sosnowskyi and Heracleum mantegazzianum (Apiaceae) // Archives of Biological Sciences. 2013. Vol. 65. N3. Pp. 877-883; Shakhmatov E.G., Atukmaev K.V., Makarova E.N. Structural characteristics of pectic polysaccharides and arabinogalactan proteins from Heracleum sosnowskyi Manden // Carbohydrate polymers. 2016. Vol. 136. Pp. 1358-1369; Patova O.A., Golovchenko V.V., Vityazev F.V., Burkov A.A., Belyi V.A., Kuznetsov S.N., Litvinets S.G., Martinson E.A. Physicochemical and rheological properties of gelling pectin from Sosnowskyi's hogweed (Heracleum sosnowskyi) obtained using different pretreatment conditions // Food Hydrocolloids. 2017. Vol. 65. Pp.77-86.].A significant factor in reducing the cost of the method is the choice of cheaper and more accessible organic raw materials, which can be effectively carbonized using the method of self-propagating high-temperature synthesis. We chose Sosnówskyi's hogweed (Heracléum sosnówskyi) as such. According to available data, the biomass of this plant, in addition to carbohydrate biopolymers, also contains about 10% Sugars, up to 16% proteins, tannins, essential oils, glutamine, vitamins C and P, folic acid, galactan, araban, furanocoumarins, macro- and microelements [Jakubska- Busse A., Śliwiński M., Kobyłka M. Identification of bioactive components of essential oils in Heracleum sosnowskyi and Heracleum mantegazzianum (Apiaceae) // Archives of Biological Sciences. 2013. Vol. 65. N3. pp. 877-883; Shakhmatov E.G., Atukmaev K.V., Makarova E.N. Structural characteristics of pectic polysaccharides and arabinogalactan proteins from Heracleum sosnowskyi Manden // Carbohydrate polymers. 2016. Vol. 136. pp. 1358-1369; Patova O.A., Golovchenko V.V., Vityazev F.V., Burkov A.A., Belyi V.A., Kuznetsov S.N., Litvinets S.G., Martinson E.A. Physicochemical and rheological properties of gelling pectin from Sosnowskyi's hogweed (Heracleum sosnowskyi) obtained using different pretreatment conditions // Food Hydrocolloids. 2017. Vol. 65. Pp.77-86.].
Все высокомолекулярные компоненты, составляющие биомассу борщевика Сосновского, в изолированном виде обладают ценными свойствами и могут быть использованы в самых разных областях народного хозяйства. Однако процесс выделения тех или иных компонентов в разных случаях может представлять собой достаточно сложную задачу, иной раз связанную с большими затратами реагентов, времени, энергии, сложным технологическим процессом. Естественно, что проще получать товарные продукты без предварительного разделения биомассы на отдельные компоненты.All high-molecular components that make up the biomass of Sosnovsky's hogweed, in isolated form, have valuable properties and can be used in a wide variety of areas of the national economy. However, the process of isolating certain components in different cases can be a rather complex task, sometimes associated with large costs of reagents, time, energy, and a complex technological process. Naturally, it is easier to obtain commercial products without first separating the biomass into individual components.
Известен способ получения сорбента для сбора нефти и нефтепродуктов из растительной массы борщевика Сосновского [Дубинов Ю.С., патент RU 2772723, 24.05.2022] путем измельчения, сушки измельченного сырья при температуре 270-350°С, давлении 1,1-3,5 атм в течение 2,5-3,0 ч и последующего проведения термической карбонизации продукта сушки на открытом воздухе при температуре 300-600°С в течение 10-15 мин с получением целевого продукта с размером частиц 0,3-5,0 мм.There is a known method for producing a sorbent for collecting oil and oil products from the plant mass of Sosnovsky's hogweed [Dubinov Yu.S., patent RU 2772723, 05.24.2022] by grinding, drying the crushed raw materials at a temperature of 270-350°C, pressure 1.1-3. 5 atm for 2.5-3.0 hours and subsequent thermal carbonization of the drying product in the open air at a temperature of 300-600°C for 10-15 minutes to obtain the target product with a particle size of 0.3-5.0 mm .
Полученный таким способом сорбент представляет собой обугленные частицы сухого растительного сырья, дисперсный состав которого (0,3-5,0 мм) позволяет осуществлять сбор нефтяных загрязнений в водной среде, но для сорбции радионуклидов необходима намного большая дисперсность.The sorbent obtained in this way is charred particles of dry plant material, the dispersed composition of which (0.3-5.0 mm) allows the collection of oil contaminants in the aquatic environment, but much greater dispersion is required for the sorption of radionuclides.
Разработан способ карбонизации биомассы борщевика Сосновского для получения углеродных наноматериалов под влиянием локальных экстремально высоких температур и окислителей, образующихся в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [Возняковский А.П. Карманов А.П., Неверовская А.Ю., Возняковский А.А., Кочева Л.С, Кидалов С.В. Биомасса борщевика Сосновского как сырье для получения 2d углеродных наноструктур. // Химия растительного сырья, 2020, №.3, с. 83-92]. Таким способом полученные углеродные наноструктуры (графеновые нанопластины) с количеством слоев не более 7 и высокой удельной поверхностью 179.1 м2/г. Характерными особенностями получаемого продукта являются малодефектная планарная поверхность и наличие кислородсодержащих терминальных групп.A method has been developed for carbonization of Sosnovsky's hogweed biomass to obtain carbon nanomaterials under the influence of local extremely high temperatures and oxidizing agents formed under conditions of self-propagating high-temperature synthesis [Voznyakovsky A.P. Karmanov A.P., Neverovskaya A.Yu., Voznyakovsky A.A., Kocheva L.S., Kidalov S.V. Biomass of Sosnowski's hogweed as a raw material for the production of 2d carbon nanostructures. // Chemistry of plant raw materials, 2020, No. 3, p. 83-92]. In this way, carbon nanostructures (graphene nanoplates) with a number of layers of no more than 7 and a high specific surface area of 179.1 m 2 /g were obtained. Characteristic features of the resulting product are a low-defect planar surface and the presence of oxygen-containing terminal groups.
Данный способ выбран в качестве прототипа, поскольку в его основу положен метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, позволяющего получить наноструктурные углеродные продукты с высокой удельной поверхностью.This method was chosen as a prototype because it is based on the method of self-propagating high-temperature synthesis, which makes it possible to obtain nanostructured carbon products with a high specific surface area.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа получения высокоэффективного наноуглеродного сорбента для удаления остаточных количеств радионуклидов из природных и сточных вод, упрощение и удешевление технологии получения сорбента, имеющего улучшенные по сравнению с существующими аналогами сорбционные свойства.The technical objective of the present invention is to develop a method for producing a highly effective nanocarbon sorbent for removing residual amounts of radionuclides from natural and waste waters, simplifying and reducing the cost of the technology for producing a sorbent that has improved sorption properties compared to existing analogues.
Разработанный способ осуществляется следующим образом.The developed method is carried out as follows.
Растительную массу стеблей и листьев борщевика Сосновского механически измельчают, отжимают сок, а оставшийся жмых подсушивают в восходящем потоке горячего воздуха при температуре 60-80°С, после чего осушенную массу жмыха дополнительно измельчают и смешивают с нитратом аммония в пропорции 1:1 до получения гомогенной смеси, затем помещают в реактор и нагревают до температуры не менее 350°С до начала процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, который протекает со скоростью 0.1-20 см/с.Температура горения составляет 230° - 380°С, скорость нагревания в волне 1000°С/с и более. Полученный продукт промывают, высушивают и измельчают в вихревой мельнице.The plant mass of the stems and leaves of Sosnovsky's hogweed is mechanically crushed, the juice is squeezed out, and the remaining cake is dried in an ascending stream of hot air at a temperature of 60-80 ° C, after which the dried mass of the cake is additionally crushed and mixed with ammonium nitrate in a 1: 1 ratio until a homogeneous mixture is obtained. mixture, then placed in a reactor and heated to a temperature of at least 350°C before the process of self-propagating high-temperature synthesis begins, which proceeds at a speed of 0.1-20 cm/s. The combustion temperature is 230° - 380°C, the heating rate in the wave is 1000°C /s or more. The resulting product is washed, dried and ground in a vortex mill.
Проведено экспериментальное исследование физико-химических характеристик полученного продукта.An experimental study of the physicochemical characteristics of the resulting product was carried out.
Материалы. Растительное сырье - биомасса борщевика Сосновского (Heracleum sosnowskyi). Для синтеза наноуглеродных материалов использовали стебли борщевика на стадии цветения (Bf) (урожай 2019 г.) и сухостойные стебли (Bd) (урожай 2018 г.). Сырье измельчали (зернодробилка «Колос 2М») и сушили до постоянного веса в сушильном шкафу ШС-40-02 при 80°С. Высушенный материал окончательно измельчали в лабораторной планетарной мельнице LP-1 - НТ Machinery, (Japan) до размеров частиц порядка 100 мкм (±10 мкм). Размеры частиц определяли из данных лазерной дифракции на установке Mastersizer 2000, Malvern Panalytical.Materials. Plant raw materials - biomass of Sosnowsky's hogweed (Heracleum sosnowskyi). To synthesize nanocarbon materials, we used hogweed stems at the flowering stage (Bf) (harvest 2019) and dead stems (Bd) (harvest 2018). The raw materials were crushed (Kolos 2M grain crusher) and dried to constant weight in an ShS-40-02 drying oven at 80°C. The dried material was finally crushed in a laboratory planetary mill LP-1 - HT Machinery, (Japan) to a particle size of about 100 μm (±10 μm). Particle sizes were determined from laser diffraction data using a
Проведение СВС процесса. Синтез проводили с использованием лабораторного реактора, представляющего собой кварцевый сосуд (емкость 1 л) с нагревательным элементом в нижней части, обеспечивающим нагрев зоны реакции до 500°С. Контроль температуры в зоне реакции осуществлялся с помощью термопары. Навески подготовленного сырья и нитрата аммония (NH4NO3, х.ч, Sigma Aldrich, USA) в весовом соотношении 1:1 механически перемешивали в установке типа «пьяная бочка» в течение 15 мин. Полученную однородную смесь переносили в предварительно продутый током сухого аргона (5 мин) и прогретый до 150°С реактор. После этого температуру в реакторе поднимали до 350°С. О начале и окончании реакции судили по началу и окончанию выделения газообразных продуктов реакции, регистрируемых в ловушке. Продолжительность процесса - 5-8 мин для объема смеси 0.3 л.Carrying out the SHS process. The synthesis was carried out using a laboratory reactor, which is a quartz vessel (capacity 1 l) with a heating element in the lower part, which ensures heating of the reaction zone to 500°C. The temperature in the reaction zone was controlled using a thermocouple. Weighed portions of the prepared raw material and ammonium nitrate (NH 4 NO 3 , chemically pure, Sigma Aldrich, USA) in a weight ratio of 1:1 were mechanically mixed in a “drunk barrel” installation for 15 minutes. The resulting homogeneous mixture was transferred to a reactor pre-purged with a current of dry argon (5 min) and heated to 150°C. After this, the temperature in the reactor was raised to 350°C. The beginning and end of the reaction were judged by the beginning and end of the release of gaseous reaction products recorded in the trap. The duration of the process is 5-8 minutes for a mixture volume of 0.3 liters.
Карбонизацией борщевика Bf был синтезирован образец углеродного наноматериала CBf; соответственно, из борщевика Bd получили образец CBd.Carbon nanomaterial sample CBf was synthesized by carbonation of Hogweed Bf; Accordingly, a sample of CBd was obtained from Hogweed Bd.
Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). Микрофотографии порошков CBf и CBd получали на приборе TESCAN Mira-3М с EDX приставкой Oxford instruments X-max.Scanning electron microscopy (SEM). Microphotographs of CBf and CBd powders were taken on a TESCAN Mira-3M device with an Oxford instruments X-max EDX attachment.
Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ). Для получения изображений образцов использовали прибор FEI Tecnai G2 30 S-TWIN при ускоряющем напряжении 50 кВ. Для исследований взвесь порошков CBf или CBd в этаноле обрабатывали ультразвуком в течение 5 мин. Полученная суспензия наносились на углеродную сетку.Transmission electron microscopy (TEM). An FEI Tecnai G2 30 S-TWIN instrument was used to obtain images of the samples at an accelerating voltage of 50 kV. For studies, a suspension of CBf or CBd powders in ethanol was treated with ultrasound for 5 min. The resulting suspension was applied to a carbon mesh.
Ренгеновская дифрактометрия. Для исследования фазового состава использовали прибор XRD-7000, Cu-Ka (λ=0.1541нм) Shimadzu, Japan.X-ray diffractometry. To study the phase composition, an XRD-7000, Cu-Ka (λ=0.1541 nm) Shimadzu, Japan device was used.
Рамановская спектроскопия. Рамановские спектры получали на приборе Horiba Jobin-Yvon LabRam HR800 HR 800, лазер 532 нм, дифракционная решетка 1800 штрихов/мм, микрораман (микроскоп, увеличение ×20).Raman spectroscopy. Raman spectra were obtained on a Horiba Jobin-Yvon LabRam HR800 HR 800 instrument, 532 nm laser, 1800 lines/mm diffraction grating, micro-Raman (microscope, ×20 magnification).
Определение удельной поверхности . Для определения удельной площади поверхности и исследования пористой структуры образцов использовали автоматизированную систему ASAP 2020МР (Micromeritics, USA), предназначенную для измерения характеристик адсорбционной емкости объемным методом с использованием различных газов. Изучение образцов проводили методом низкотемпературной адсорбции азота (77 К). Объем сорбируемого газа приведен к нормальным условиям. Инструментальная погрешность измерений - 0.12-0.15%.Determination of specific surface area. To determine the specific surface area and study the porous structure of the samples, we used the ASAP 2020MR automated system (Micromeritics, USA), designed to measure the characteristics of the adsorption capacity by the volumetric method using various gases. The samples were studied by low-temperature nitrogen adsorption (77 K). The volume of sorbed gas is reduced to normal conditions. Instrumental measurement error - 0.12-0.15%.
Определение истинной плотности . Измерения проводились методом газовой (гелиевой) пикнометрии на приборе Ultrapycnometer 1000, USA. Истинная плотность образцов CBf и CBd составила 2.1±0.05 г/см3.Determination of true density. The measurements were carried out using gas (helium) pycnometry using an
Оптическая спектрометрия. Измерения проводили на приборе 2804 Uv/Vis spectrophotometer, USA. В качестве образца использовали суспензию CBf в воде с концентрацией 0.1 масс. %.Optical spectrometry. The measurements were carried out on a 2804 Uv/Vis spectrophotometer, USA. A suspension of CBf in water with a concentration of 0.1 wt. was used as a sample. %.
Продукты карбонизации образцов Bf и Bd, синтезированные в условиях процесса СВС (обозначены CBf и CBd), представляют собой мелкодисперсные порошки черного цвета. Выход углеродных наноматериалов CBf и CBd примерно одинаков и составляет 20-25%.The carbonization products of samples Bf and Bd, synthesized under the conditions of the SHS process (designated CBf and CBd), are fine black powders. The yield of carbon nanomaterials CBf and CBd is approximately the same and amounts to 20-25%.
На фиг. 1 приведены микрофотографии образцов CBf (а, б) и CBd (в, г). Микрофотографии а и в получены методом СЭМ, микрофотографии б и г получены методом просвечивающей электронной микроскопииIn fig. Figure 1 shows microphotographs of samples CBf (a, b) and CBd (c, d). Microphotographs a and c were obtained by SEM, microphotographs b and d were obtained by transmission electron microscopy
Анализ микрофотографий указывает на то, что образцы CBf и CBd имеют сходную слоисто-пластинчатую структуру с планарными размерами частиц для обоих образцов в среднем около пятидесяти микрон.Analysis of micrographs indicates that samples CBf and CBd have a similar layered-plate structure with planar particle sizes for both samples averaging about fifty microns.
Поскольку принципиальные отличия образцов не были выявлены, то дальнейшие исследования, учитывая также практические аспекты утилизации биомассы борщевика, проводили в основном с образцом CBf.Since no fundamental differences between the samples were identified, further research, also taking into account the practical aspects of utilization of hogweed biomass, was carried out mainly with the CBf sample.
Определено соотношение углерода и кислорода С/О (Atom, %) в исследуемом образце CBf, которое составило 7.8. В данном случае представляет интерес сравнение исследуемого образца с оксидами графена GO (graphene oxide). Как известно, оксид графена - один из первых углеродных двумерных наноматериалов, который достиг стадии коммерческого применения. Для этого наноматериала соотношение углерода и кислорода колеблется в зависимости от производителя в интервале 2.1-2.9. Таким образом, синтезированный нами углеродный наноматериал CBf содержит гораздо меньшее количество атомов кислорода на один атом углерода, чем оксид графена.The ratio of carbon and oxygen C/O (Atom, %) in the studied sample CBf was determined, which was 7.8. In this case, it is of interest to compare the sample under study with graphene oxide GO (graphene oxide). As is known, graphene oxide is one of the first two-dimensional carbon nanomaterials to reach the stage of commercial application. For this nanomaterial, the ratio of carbon and oxygen varies depending on the manufacturer in the range of 2.1-2.9. Thus, the carbon nanomaterial CBf we synthesized contains much less oxygen atoms per carbon atom than graphene oxide.
На фиг. 2 представлены результаты анализа спектрофотометрических данных в ультрафиолетовой и видимой области спектра - UV/Vis спектры оксида графена GO и образца CBf, показывающие особенности распределения кислородсодержащих групп по планарной поверхности.In fig. Figure 2 presents the results of the analysis of spectrophotometric data in the ultraviolet and visible region of the spectrum - UV/Vis spectra of graphene oxide GO and the CBf sample, showing the features of the distribution of oxygen-containing groups over the planar surface.
Спектр поглощения для оксида графена демонстрирует две полосы - при 230 и 300 нм, которые можно соотнести с электронными переходами π- π* и n- π* орбиталей соответственно. Присутствие характерных полос поглощения обусловлено дефектностью структуры оксида графена, а именно наличием кислородсодержащих функциональных групп в планарной плоскости. Спектр поглощения образца CBf, как следует из фиг. 2, практически не зависит от длины волны. Постоянство величины поглощения в данном случае указывает на наличие обширных (более 100 нм) зон доменов с бездефектной sp2 структурой. Этот феномен отмечается также для такого углеродного наноматериала, как классический графен, и для обычного графита. Данные элементного анализа и UV/Vis спектрофотомерии показывают, что атомы кислорода в CBf сосредоточены преимущественно на терминальных функциональных группах.The absorption spectrum for graphene oxide shows two bands - at 230 and 300 nm, which can be correlated with electronic transitions of π-π* and n-π* orbitals, respectively. The presence of characteristic absorption bands is due to defects in the structure of graphene oxide, namely the presence of oxygen-containing functional groups in the planar plane. The absorption spectrum of the CBf sample, as follows from Fig. 2, is practically independent of wavelength. The constancy of the absorption value in this case indicates the presence of extensive (more than 100 nm) domain zones with a defect-free sp2 structure. This phenomenon is also observed for such carbon nanomaterials as classical graphene and for ordinary graphite. Elemental analysis and UV/Vis spectrophotometry data show that the oxygen atoms in CBf are concentrated predominantly on the terminal functional groups.
На фиг. 3 представлены рентгеновская дифрактограмма CBf, а также, для сравнения, образца графита и графена.In fig. Figure 3 shows the X-ray diffraction pattern of CBf, as well as, for comparison, a sample of graphite and graphene.
Дифрактограмма CBf демонстрирует наличие дифракционного пика (002) при 2θ=23.76° и дифракционного пика (101) при 2θ=42.74°. Полученная дифрактограмма хорошо согласуется с дифрактограммами типичных графеновых нанопластин (GNP) или графеновых нанолистов (GNS). Приведенные выше экспериментальные данные позволяют предполагать, что синтезированный нами углеродный наноматериал относится к классу GNP. Соответственно, возникает задача оценки количества слоев в получаемых графеновых нанопластинах.The CBf diffraction pattern shows the presence of a diffraction peak (002) at 2θ=23.76° and a diffraction peak (101) at 2θ=42.74°. The resulting diffraction pattern is in good agreement with the diffraction patterns of typical graphene nanoplatelets (GNPs) or graphene nanosheets (GNS). The above experimental data suggest that the carbon nanomaterial we synthesized belongs to the GNP class. Accordingly, the problem arises of estimating the number of layers in the resulting graphene nanoplates.
Для расчета межплоскостного расстояния использовали известную формулу Вульфа-Брэгга 2d sinθ=nλ, где d - межплоскостное расстояние, θ -угол скольжения (брэгговский угол), n - порядок дифракционного максимума, λ. - длина волны.To calculate the interplanar distance, we used the well-known Wulff-Bragg formula 2d sinθ=nλ, where d is the interplanar distance, θ is the grazing angle (Bragg angle), n is the order of the diffraction maximum, λ. - wavelength.
Исходя из данных о положении пика (002), было определенно межплоскостное расстояние, которое для CBf составило 3.73 Å. Также была проведена оценка количества слоев по формуле , где N - количество слоев, L=20.8 Å - толщина графеновой нанопластины, d - межплоскостное расстояние.Based on the (002) peak position data, there was a definite interplanar distance, which for CBf was 3.73 Å. The number of layers was also estimated using the formula , where N is the number of layers, L=20.8 Å is the thickness of the graphene nanoplate, d is the interplanar distance.
Толщина синтезированных графеновых нанопластин была рассчитана по формуле Шеррера , где L - толщина, λ=0.154051 нм - длина волны излучения, θ - угол рассеяния, β - физическое уширение линии на дифрактограмме в радианах (в шкале 2 θ), n - коэффициент формы частиц, равный 1.The thickness of the synthesized graphene nanoplates was calculated using the Scherrer formula , where L is the thickness, λ=0.154051 nm is the radiation wavelength, θ is the scattering angle, β is the physical broadening of the line on the diffraction pattern in radians (on a scale of 2 θ), n is the particle shape factor equal to 1.
Проведенные нами расчеты позволили установить, что количество слоев не превышает 7, что позволяет определить полученный продукт как малослойный графен.Our calculations allowed us to establish that the number of layers does not exceed 7, which allows us to define the resulting product as few-layer graphene.
На фиг. 4 представлен спектр комбинационного рассеяния света (Рамановский спектр) образца CBf. Общий вид спектральной кривой и положение пиков (G пик - 1500-1630 см-1; D пик - 1355 см-1) отвечает Рамановскому спектру графеновых структур с небольшими отличиями, обусловленными наличием терминальных кислородсодержащих функциональных групп.In fig. Figure 4 shows the Raman spectrum of the CBf sample. The general appearance of the spectral curve and the position of the peaks (G peak - 1500-1630 cm -1 ; D peak - 1355 cm -1 ) corresponds to the Raman spectrum of graphene structures with slight differences due to the presence of terminal oxygen-containing functional groups.
Для характеристики объемной организации (пористости) ансамбля частиц образца CBf определяли величину удельной поверхности. Для этого использовали метод полимолекулярной адсорбции (метод БЭТ). Результаты исследований представлены на фиг. 5 и в таблице.To characterize the volumetric organization (porosity) of the ensemble of particles of the CBf sample, the specific surface area was determined. For this purpose, the polymolecular adsorption method (BET method) was used. The research results are presented in Fig. 5 and in the table.
Кривая адсорбции, представленная на фиг. 5, относится по IUPAC ко 2-му типу изотерм. Такой тип изотерм характерен для процессов обратимой адсорбции на микро- и мезопористых адсорбентах по механизму полимолекулярной адсорбции. Судя по результатам в таблице, основной вклад в удельную поверхность образцов CBd и CBf вносят микропоры.The adsorption curve shown in Fig. 5, according to IUPAC, belongs to the 2nd type of isotherms. This type of isotherm is characteristic of reversible adsorption processes on micro- and mesoporous adsorbents according to the mechanism of polymolecular adsorption. Judging by the results in the table, the main contribution to the specific surface area of samples CBd and CBf comes from micropores.
Проведено исследование явлений сорбции-десорбции U238 (урана 238) и Th232 (тория 232) на образцах полученного сорбента, представляющего собой малослойный графен, получаемый в результате обработки растительной массы стеблей и листьев борщевика Сосновского способом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.A study of the sorption-desorption phenomena of U238 (uranium 238) and Th232 (thorium 232) was carried out on samples of the resulting sorbent, which is a few-layer graphene obtained by processing the plant mass of the stems and leaves of Sosnovsky's hogweed by the method of self-propagating high-temperature synthesis.
На фиг. 6 приведены результаты проведенных исследований, которые свидетельствуют о высокой сорбционной способности полученного сорбента в отношении урана 238 и тория 232, находящихся в микроколичествах (~1×10-6 г/мл) в нейтральных водных средах. С помощью метода последовательных вытяжек установлено, что образцы УНМ, синтезированные из зеленой массы борщевика Сосновского, характеризуются весьма прочным удерживанием урана 238 и тория 232, подавляющее количество которых (85-88%) не десорбируются ни водой, ни водными растворами ацетата аммония CH3COONH4 и соляной кислоты HCI (1 М).In fig. Figure 6 shows the results of the studies, which indicate the high sorption capacity of the resulting sorbent for uranium 238 and thorium 232, present in trace quantities (~1×10 -6 g/ml) in neutral aqueous media. Using the method of successive extractions, it was established that CNM samples synthesized from the green mass of Sosnovsky's hogweed are characterized by very strong retention of uranium 238 and thorium 232, the vast majority of which (85-88%) are not desorbed either by water or aqueous solutions of ammonium acetate CH 3 COONH 4 and hydrochloric acid HCI (1 M).
Таким образом, показано, что по своим морфометрическим параметрам частицы полученного карбонизированного продукта соответствуют 2D-наноуглероду в виде графеновых нанопластин. Характерными особенностями нового продукта являются малодефектная планарная поверхность и наличие кислородсодержащих терминальных групп. Определена удельная площадь поверхности, которая составила 179.1 м2/г. Установлено, что основной вклад в удельную поверхность наноматериала на основе биомассы борщевика вносят микропоры.Thus, it has been shown that, in terms of their morphometric parameters, the particles of the resulting carbonized product correspond to 2D nanocarbon in the form of graphene nanoplates. Characteristic features of the new product are a low-defect planar surface and the presence of oxygen-containing terminal groups. The specific surface area was determined to be 179.1 m 2 /g. It has been established that the main contribution to the specific surface area of the nanomaterial based on hogweed biomass is made by micropores.
Достигаемый технический результат заключается в оптимизации совокупности технологических процессов получения сорбента, использовании дешевого и доступного сырья и повышение сорбционных свойств получаемого сорбента.The achieved technical result consists in optimizing the set of technological processes for obtaining the sorbent, using cheap and accessible raw materials and increasing the sorption properties of the resulting sorbent.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2817978C1 true RU2817978C1 (en) | 2024-04-23 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104307491B (en) * | 2014-10-24 | 2018-06-08 | 武汉理工大学 | A kind of modified graphene of efficient absorption methyl orange dye and preparation method thereof |
| RU2659285C1 (en) * | 2017-10-25 | 2018-06-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") | Sorbent based on modified graphene oxide and method of its production |
| CN108793128A (en) * | 2018-06-26 | 2018-11-13 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | A kind of method that self-propagating high-temperature prepares multi-layer graphene |
| RU2772723C1 (en) * | 2021-09-09 | 2022-05-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина" | Method for obtaining a sorbent for collecting oil and petroleum products |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104307491B (en) * | 2014-10-24 | 2018-06-08 | 武汉理工大学 | A kind of modified graphene of efficient absorption methyl orange dye and preparation method thereof |
| RU2659285C1 (en) * | 2017-10-25 | 2018-06-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") | Sorbent based on modified graphene oxide and method of its production |
| CN108793128A (en) * | 2018-06-26 | 2018-11-13 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | A kind of method that self-propagating high-temperature prepares multi-layer graphene |
| RU2772723C1 (en) * | 2021-09-09 | 2022-05-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина" | Method for obtaining a sorbent for collecting oil and petroleum products |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Возняковский А.П., Карманов А.П., Неверовская А.Ю., Возняковский А.А., Кочева Л.С., Кидалов С.В. Биомасса борщевика Сосновского как сырье для получения 2D-углеродных наноструктур. Химия растительного сырья, 2020, номер 3, с. 83-92. Vozniakovskii A. et al. Carbon nanomaterials based on plant biopolymers as radionuclides sorbent // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. - 2019. - C. 1-4. А.П. Возняковский, А.П. Карманов, Л.С. Кочева, А.Ю. Неверовская, А.А. Возняковский, А.В. Канарский, Э.И. Семенов, С.В. Кидалов. Малослойные графеновые структуры как перспективный сорбент микотоксинов. Журнал технической физики, 2022, том 92, вып. 7, стр. 951-957. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| González-García | Activated carbon from lignocellulosics precursors: A review of the synthesis methods, characterization techniques and applications | |
| Egbosiuba et al. | Ultrasonic enhanced adsorption of methylene blue onto the optimized surface area of activated carbon: Adsorption isotherm, kinetics and thermodynamics | |
| Zhao et al. | Corn stalk-based activated carbon synthesized by a novel activation method for high-performance adsorption of hexavalent chromium in aqueous solutions | |
| Üner et al. | Preparation and characterization of mesoporous activated carbons from waste watermelon rind by using the chemical activation method with zinc chloride | |
| Mopoung et al. | Characterization and properties of activated carbon prepared from tamarind seeds by KOH activation for Fe (III) adsorption from aqueous solution | |
| Boudrahem et al. | Pb (II) and Cd (II) removal from aqueous solutions using activated carbon developed from coffee residue activated with phosphoric acid and zinc chloride | |
| Lemraski et al. | Kinetics, equilibrium and thermodynamics studies of Pb2+ adsorption onto new activated carbon prepared from Persian mesquite grain | |
| Gottipati | Preparation and characterization of microporous activated carbon from biomass and its application in the removal of chromium (VI) from aqueous phase | |
| Ghasemian et al. | Comparisons of azo dye adsorptions onto activated carbon and silicon carbide nanoparticles loaded on activated carbon | |
| Tohamy et al. | Preparation of eco-friendly graphene oxide from agricultural wastes for water treatment | |
| Ajebli et al. | The adsorption of Tenofovir in aqueous solution on activated carbon produced from maize cobs: Insights from experimental, molecular dynamics simulation, and DFT calculations | |
| Nandiyanto et al. | Adsorption isotherm of carbon microparticles prepared from pumpkin (Cucurbita maxima) seeds for dye removal | |
| Adebayo et al. | Adsorption of Mn (II) and Co (II) ions from aqueous solution using maize cob activated carbon: kinetics and thermodynamics studies | |
| Nwankwo et al. | Production and characterization of activated carbon from animal bone | |
| Qanytah et al. | Characterization of ball-milled bamboo-based activated carbon treated with KMnO4 and KOH as activating agents | |
| Arslanoğlu et al. | Fabrication, characterization, and adsorption applications of low-cost hybride activated carbons from peanut shell-vinasse mixtures by one-step pyrolysis | |
| Wu et al. | Upcycling wildfire-impacted boreal peats into porous carbons that efficiently remove phenolic micropollutants | |
| Ahmed | Preparation of activated carbons from date stones by chemical activation method using FeCl3 and ZnCl2 as activating agents | |
| Mkrtchyan et al. | Comparative analysis of the adsorption kinetics of the methylene blue dye on graphene aerogel and activated coconut carbon | |
| RU2817978C1 (en) | Sorbent for removal of radionuclides from natural and waste water and method of its production | |
| Hamza et al. | Adsorption of Metals (Fe (II), Cr (III) and Co (II)) from aqueous solution by using Activated carbon prepared from Mesquite tree | |
| Karmanov et al. | Sorption properties of carbonized biopolymers of plant origin | |
| Liu et al. | One-step synthesis of modified graphene aerogels for the adsorption of chloroform, toluene, and gasoline using pine wood chips as raw material | |
| Çuhadar | Production and characterization of activated carbon from hazelnut shell and hazelnut husk | |
| Lellala | Sulfur embedded on in-situ carbon nanodisc decorated on graphene sheets for efficient photocatalytic activity and capacitive deionization method for heavy metal removal |