Endnu et lille mirakel:Grafenoxid opsuger radioaktivt affald

(Phys.org)—Graphenoxid har en bemærkelsesværdig evne til hurtigt at fjerne radioaktivt materiale fra forurenet vand, forskere ved Rice University og Lomonosov Moscow State University har fundet.

Et samarbejde mellem Rice-laboratoriet af kemiker James Tour og Moskva-laboratoriet af kemiker Stepan Kalmykov fastslog, at mikroskopisk, atomtykke flager af grafenoxid binder sig hurtigt til naturlige og menneskeskabte radionuklider og kondenserer dem til faste stoffer. Flagerne er opløselige i væsker og fremstilles let i løs vægt.

De eksperimentelle resultater blev rapporteret i tidsskriftet Royal Society of Chemistry Fysisk kemi Kemisk fysik .

Opdagelsen, Tour sagde, kunne være en velsignelse i oprydningen af ​​forurenede steder som Fukushima-atomkraftværkerne, der blev beskadiget af jordskælvet og tsunamien i 2011. Det kan også reducere omkostningerne ved hydraulisk frakturering ("fracking") til olie- og gasindvinding og hjælpe med at genstarte amerikansk minedrift af sjældne jordarters metaller, han sagde.

Grafenoxids store overflade definerer dets evne til at adsorbere toksiner, sagde Kalmykov. "Så de høje retentionsegenskaber er ikke overraskende for os, " sagde han. "Det, der er forbløffende, er den meget hurtige kinetik af sorption, hvilket er nøglen."

"I den probabilistiske verden af ​​kemiske reaktioner, hvor knappe ting (lave koncentrationer) sjældent støder ind i noget, som det kan reagere med, der er større sandsynlighed for, at "magien" vil ske med grafenoxid end med en stor gammel klumpet bentonit, " sagde Steven Winston, en tidligere vicepræsident for Lockheed Martin og Parsons Engineering og en ekspert i atomkraft og sanering, som arbejder sammen med forskerne. "Kort sagt, hurtigt er godt."

At bestemme, hvor hurtigt var genstand for eksperimenter fra Kalmykov-gruppen. Laboratoriet testede grafenoxid syntetiseret ved Rice med simuleret nukleart affald indeholdende uran, plutonium og stoffer som natrium og calcium, der kan påvirke deres adsorption negativt. Ikke desto mindre, grafenoxid viste sig langt bedre end bentonit-ler og granuleret aktivt kul, der almindeligvis anvendes til nuklear oprensning.

Grafenoxid introduceret til simuleret affald koaguleret inden for få minutter, hurtigt klumper de værste toksiner, sagde Kalmykov. Processen fungerede på tværs af en række pH-værdier.

"At se Stepans forbløffelse over, hvor godt dette fungerede, var en god bekræftelse, " sagde Tour. Han bemærkede, at samarbejdet slog rod, da Alexander Slesarev, en kandidatstuderende i sin gruppe, og Anna Yu. Romanchuk, en kandidatstuderende i Kalmykovs gruppe, mødtes på en konference for flere år siden.

Forskerne fokuserede på at fjerne radioaktive isotoper af actinider og lanthanider - de 30 sjældne jordarters grundstoffer i det periodiske system - fra væsker, snarere end faste stoffer eller gasser. "Selvom de egentlig ikke kan lide vand så meget, de kan og gemmer sig derude, " sagde Winston. "Fra et menneskeligt sundheds- og miljøsynspunkt, det er der, de er mindst velkomne."

Naturligt forekommende radionuklider er også uvelkomne i fracking-væsker, der bringer dem til overfladen under boreoperationer, sagde Tour. "Når grundvand kommer ud af en brønd, og det er radioaktivt over et vist niveau, de kan ikke lægge det tilbage i jorden, " sagde han. "Det er for varmt. Virksomheder er nødt til at sende forurenet vand til depotsteder rundt om i landet med meget store omkostninger." Evnen til hurtigt at filtrere forurenende stoffer fra på stedet ville spare mange penge, han sagde.

Han ser endnu større potentielle fordele for mineindustrien. Miljøkrav har "i det væsentlige lukket ned for amerikansk minedrift af sjældne jordarters metaller, som er nødvendige for mobiltelefoner, " sagde Tour. "Kina ejer markedet, fordi de ikke er underlagt de samme miljøstandarder. Så hvis denne teknologi giver mulighed for at genoplive minedrift her, det kunne være stort."

Tour sagde, at indfangning af radionuklider ikke gør dem mindre radioaktive, bare nemmere at håndtere. "Hvor du har enorme puljer af radioaktivt materiale, som i Fukushima, du tilføjer grafenoxid og får et fast materiale tilbage fra det, der kun var ioner i en opløsning, sagde han. Så kan du skumme det af og brænde det. Grafenoxid brænder meget hurtigt og efterlader en kage af radioaktivt materiale, som du derefter kan genbruge."

De lave omkostninger og bionedbrydelige kvaliteter af grafenoxid burde gøre det egnet til brug i permeable reaktive barrierer, en ret ny teknologi til in situ grundvandsoprensning, han sagde.