Сорбент для удаления радионуклидов из природных и сточных вод и способ его получения Российский патент 2024 года по МПК C01B32/182 C01B32/184 B01J20/20 B01J20/22 B01J20/30 B82Y40/00 C02F1/28 

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.

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.

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.

Под радиоактивным загрязнением воды понимают ее насыщение радионуклидами. Этот процесс может происходить по естественным и искусственным причинам.

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.].

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.

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].

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%.

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)].

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].

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.

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].

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.

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.

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.

Полученные таким способом натуральные сорбенты могут применяться для грубой очистки водоемов с сильным радиационным загрязнением.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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].

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.].

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.

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.

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.

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.

Данный способ выбран в качестве прототипа, поскольку в его основу положен метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, позволяющего получить наноструктурные углеродные продукты с высокой удельной поверхностью.

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.

Разработанный способ осуществляется следующим образом.

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.

Проведено экспериментальное исследование физико-химических характеристик полученного продукта.

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.

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.

Карбонизацией борщевика Bf был синтезирован образец углеродного наноматериала CBf; соответственно, из борщевика Bd получили образец CBd.

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). Микрофотографии порошков CBf и CBd получали на приборе TESCAN Mira-3М с EDX приставкой Oxford instruments X-max.

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.

Ренгеновская дифрактометрия. Для исследования фазового состава использовали прибор XRD-7000, Cu-Ka (λ=0.1541нм) Shimadzu, Japan.

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).

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%.

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.

Оптическая спектрометрия. Измерения проводили на приборе 2804 Uv/Vis spectrophotometer, USA. В качестве образца использовали суспензию CBf в воде с концентрацией 0.1 масс. %.

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%.

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 микроскопии

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.

Поскольку принципиальные отличия образцов не были выявлены, то дальнейшие исследования, учитывая также практические аспекты утилизации биомассы борщевика, проводили в основном с образцом CBf.

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.

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.

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.

На фиг. 3 представлены рентгеновская дифрактограмма CBf, а также, для сравнения, образца графита и графена.

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.

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.

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.

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.

Проведенные нами расчеты позволили установить, что количество слоев не превышает 7, что позволяет определить полученный продукт как малослойный графен.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

Достигаемый технический результат заключается в оптимизации совокупности технологических процессов получения сорбента, использовании дешевого и доступного сырья и повышение сорбционных свойств получаемого сорбента.

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. Описан сорбент для удаления радионуклидов из природных и сточных вод, представляющий собой малослойный графен, получаемый в результате обработки растительной массы стеблей и листьев борщевика Сосновского способом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Технический результат заключается в оптимизации совокупности технологических процессов получения сорбента, использовании дешевого и доступного сырья и повышении сорбционных свойств получаемого сорбента. 6 ил., 1 табл.

Сорбент для удаления радионуклидов из природных и сточных вод, отличающийся тем, что представляет собой малослойный графен, получаемый в результате обработки растительной массы стеблей и листьев борщевика Сосновского способом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.