Технология очистки воды от долгоживущих радионуклидов и тяжелых металлов с помощью наноструктурированного сорбционного материала на основе пенополиуретана

Л. Г.  Бондарева; И. Г.  Тананаев; Н. Е. Федорова

doi:10.25514/CHS.2020.1.17009

Л. Г. Бондарева Федеральное бюджетное учреждение науки «Федеральный научный центр гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана» Роспотребнадзора, Московская область, Мытищи, Россия
И. Г. Тананаев Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток, Россия; Озерский технологический институт, филиал ФГАОУ ВО «НИЯУ МИФИ», г. Озерск Челябинской обл., Россия
Н. Е. Федорова Федеральное бюджетное учреждение науки «Федеральный научный центр гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана» Роспотребнадзора, Московская область, Мытищи, Россия

DOI: https://doi.org/10.25514/CHS.2020.1.17009

Ключевые слова: сорбция, радионуклиды, тяжелые металлы, пенополиуретан, оксигидрокcид железа, диоксид марганца, очистка воды, чрезвычайные ситуации.

Аннотация

Представлены результаты исследований возможности использования для очистки воды от радионуклидов и тяжелых металлов предварительно полученного сорбционного материала, импрегнированного смесью оксигидроксида железа(III) и диоксида марганца(IV), закрепленных на пластине из пенополиуретана, создающих во всем объеме пластины наноструктуру. Исследования проводились на: 1) модельных системах, полученных добавлением растворов солей металлов и радионуклидов: (Pb²⁺ – 5 мг/л, Hg²⁺ – 1 мг/л, Cd²⁺ – 10 мг/л, Cu²⁺ – 50 мг/л, ²³⁸U – 10 мг/л, ¹³⁷Cs – 100 Бк/л, ²⁴²Pu – 5 Бк/л) и 2) реальных пробах воды поверхностных водоемов. После очистки концентрация металлов и радионуклидов в модельных растворах существенно снизилась, для ряда металлов – на 1–2 порядка. В реальных пробах концентрация загрязняющих веществ до очистки была на 2–3 порядка ниже, чем в модельных растворах, а после очистки остаточное содержание металлов и радионуклидов в фильтрате варьировалось на уровне пределов обнаружения приборов детектирования. Сравнение двух методов очистки модельных проб воды (сорбция и соосаждение) дало сопоставимые результаты. Однако использование разработанного сорбента дает значительные преимущества с точки зрения экспрессности (несколько часов вместо нескольких суток), упрощения процесса очистки воды и возможности использования сорбционного материала для любой формы фильтрующего устройства, что особенно ценно для применения в полевых условиях. Предлагаемый способ может быть использован на стадии предварительной очистки воды, особенно в условиях чрезвычайных ситуаций.

Литература

Guidelines on sanitation and public health. https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/310994/9789244514702-rus.pdf?ua=1 (accessed 16.04.2020) (in Russ.).

Stocks, M.E., Ogden, S., Haddad, D., Addiss, D.G., McGuire, C., & Freeman, M.C. (2014). Effect of water, sanitation, and hygiene on the prevention of trachoma. A systematic review and meta-analysis. PLoS Med., 11(2), e1001605. https://doi.org/10.1371/journal.pmed.1001605

Penakalapati, G., Swarthout, J., Delahoy, M.J., McAliley, L., Wodnik, B., Levy, K., & Freeman, M.C. (2017). Exposure to animal feces and human health: a systematic review and proposed research priorities. Environ. Sci. Technol., 51(20), 11537 - 11552. https://doi.org/10.1021/acs.est.7b02811

Fuller, J.A., & Eisenberg, J.N.S. (2016). Herd protection from drinking water, sanitation and hygiene interventions. Am. J. Trop. Med. Hyg., 95(5), 1201 - 1210. https://doi.org/10.4269/ajtmh.15-0677

Borzunova, E.A., Kuzmin, S.V., Akramov, R.L., & Kiyamova, E.L. (2007). Evaluation of the effect of drinking water quality on the population's health. Gigiena i sanitariya = Hygiene and sanitation, 3, 32 - 34 (in Russ).

Novikov, Yu.V. (2002). Ecology, environment, and people. M.: Fair-press. P. 158 (in Russ).

Sadovnikova, L.K., Orlov, D.S., & Pozanovskaya, I.N. (2008). Ecology and environmental protection during chemical pollution. M.: Vysshaya shkola. P. 185 (in Russ).

Korolev, A.A., Bogdanov, M.V., Korolev, A.A., Nikitenko, E.I., & Kulikov, A.V. (2014). Medical Ecology, 3rd ed., M.: Akademia. P. 216 (in Russ).

Muchkinova, L.I., & Turdumatov, B.M. (2013). Manual on technogenic emergencies. Higher school manual. Elista: Kalmyk State University (in Russ).

GOST (State Standard) RF 22.0.05-94. Safety in emergencies. Technogenic emergencies. Terms and definitions. M.: Izd. standartov, 1995 (in Russ).

Akimov, V.A. (2007). Safety in natural and technogenic emergencies. Manual, 2nd ed. M.: Vysshaya shkola (in Russ).

Kryuchek, N.A., & Latchuk, V.N. (2005). Safety and protection of population in emergencies. Manual. Ed. by G.N. Kirillov. M.: NTs ENAS (in Russ).

Mashkova, S.A. (2007). Wastewater treatment using natural sorbents and their chemically modified analogues (Ph.D. dissertation). Vladivostok: Far Eastern National University (in Russ).

Tager, A.A. (1968). Physical chemistry of polymers. M.: Khimiya (in Russ).

Kargin, V.A. (1977). Encyclopedia of polymers. Vol. 3. M .: Sov. Entsyklopedia (in Russ).

Lisichkina, G.V. (1986). Modified silicas in sorption, catalysis and chromatography. M.: Khimiya (in Russ).

Golik, V.M., Golik, S.V., Ivanov, S.L., Prosviryakova, A.V., Saprygin, A.V., & Trepachev, S.A. (2011). Usage of UTEVA resin for separation of uranium and impurities produced non-volatile and volatile fluorides in uranium hexafluoride. Analitika i kontrol = Analytics and control, 15(2), 174 - 181 (in Russ).

Myasoedov, B.F. (2005). Methods of separation and concentration in solving urgent problems in radiochemistry. Rossiiskii khimicheskii zhurnal = Russian Chemical Journal, 49(2), 64 - 67 (in Russ).

Milyutin, V.V. (2008). Physicochemical methods for extraction of radionuclides from liquid radioactive waste of low and medium levels of activity (Doctor dissertation). M.: Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, RAS (in Russ).

Batuk, D.N., Shiryaev, A.A., Kalmykov, S.N., Batuk, O.N., Romanchuk, A.Yu., Shirshin, E.A., & Zubavichus Y.V. (2011). Sorption and speciation of uranium on silica colloids. In book: Actinide Nanoparticle Research. Heidelberg: Springer. DOI: 10.1007/978-3-642-11432-8_11

Bezhin, N.A., & Dovhyi, I.I. (2015). Sorbents based on crown ethers: Preparation and application for the sorption of strontium. Russian Chemical Reviews, 84(12), 1279 - 1293. http://dx.doi.org/10.1070/RCR4505

Pat. RU2636482C1, Russian Federation, 2016.

Lemos, V.A., Santos, M.S., Santos, E.S., Santos, M.J.S., dos Santos, W.N., Souza, A.S., de Jesus, D.S., das Virgens, C.F., Carvalho, M.S., Oleszczuk, N., Vale, M.G.R., Welz, B., & Ferreira, S.L.C. (2007). Application of polyurethane foam as a sorbent for trace metal pre-concentration - a review. Spectrochimica Act Part B: Atomic Spectroscopy, 62(1), 4 - 12. https://doi.org/10.1016/j.sab.2006.12.006

Kausar, A. (2018). Polyurethane composite foams in high-performance applications: A review. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 57(4), 283 - 301. https://doi.org/10.1080/03602559.2017.1329433

Olmez, S., & Eral, M. (1994). Extraction of uranium from acidic solutions by TBP impregnated polyurethane foam. In: Kučera J., Obrusník I., Sabbioni E. (eds). Nuclear Analytical Methods in the Life Science. Totowa, NJ: Humana Press (pp. 732 - 735). https://doi.org/10.1007/978-1-4757-6025-5_85

Merkushkin, A.O., Obruchikov, A.V., & Min, Ye Aung (2013). Efficiency comparison of CH3I elimination by composite sorbent based on foamed polyurethane with different forms of carbon. Uspekhi v khimii i khimicheskoi tekhnologii = Advances in Chemistry and Chemical Technology. 27(6), 42 - 46 (in Russ.).

Obruchikov, A.V., Magomedbekov, E.P., & Merkushkin, A.O. (2020). The composite sorption material for radioiodine trapping from air stream and he methods for its preparation. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 324, 331 - 338. https://doi.org/10.1007/s10967-020-07055-2

Merkushkin, A.O., Obruchikov, A.V., & Zakatilova, E.I. (2016). Composite silver-containing iodine sorbents based on highly porous cellular ceramics. Steklo i keramika = Glass and Ceramics, 7, 6 - 11 (in Russ.)

Nikitina, T.V., Sabgaida, N.A., & Olshanskaya, L.N. (2010). Wastewater treatment from heavy metal ions and oil products by composite filters. In: Promising polymer composite materials. Alternative technologies. Recycling. Application. Ecology. Proceedings of the 5th International Conference “Composite – 2010’. Saratov (pp. 446-448) (in Russ).

Yakovlev, S.V., Karelin, Ya.A., & Laskov, Yu.M. (1985). Purification of industrial wastewater. M .: Stroyizdat (in Russ).

Pat. RU2484021 C1, Russian Federation, 2013.

Bondareva, L.G., Bolsunovskii, A.Ya., Trapeznikov, A.V., & Degermendzhi, A.G. (2008). New process for transuranide preconcentration in water samples from the Yenisei River. Doklady Chemistry, 423, 311-313. https://doi.org/10.1134/S001250080812001X

Methodological Recommendations 2.6.1.0064-12. Ionizing radiation, radiation safety. Radiation monitoring of drinking water by radiochemical analysis methods. Guidelines: Radiochemical isolation of radionuclides and preparation of counting samples to determine their specific activity in water samples (in Russ).

Talvitie, N.A. (1971). Radiochemical determination of plutonium in environmental and biological samples by ion exchange. Analytical Chemistry, 43(13), 1827 - 1830. https://doi.org/10.1021/ac60307a025

Hygienic Standards 2.1.5.1315-03. Maximum permissible concentrations (MPCs) of chemical substances in water of water bodies for drinking and cultural and domestic water use. M.: Standartinform, 2003 (in Russ).

Sanitary Regulations and Norms 2.6.1.2523-09. Norms of radiation safety (NRB-99/2009) (in Russ.).