ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Очищення водних розчинів від радіоактивних забруднень є надзвичайно актуальною темою сьогодення. Багато органічних і неорганічних адсорбентів пропонують для адсорбції йонів важких металів, радіонуклідів із водних розчинів, або як носії для захоронення радіоактивних відходів. У такому випадку радіаційна стійкість для адсорбентів є важливою характеристикою.

Мета даних досліджень вивчити зміну структурних та адсорбційних властивостей (або незмінність) адсорбентів в полі інтенсивного β-випромінювання створеного ⁹⁰Sr. Зокрема, було визначено радіаційну стійкість силікату титану.

Експериментальна частина даної роботи складається із опису синтезу адсорбента на основі силікату титану золь-гель методом і досліджень адсорбційної здатності даного матеріалу щодо катіонів Ва²⁺. Наступна стадія експериментальних досліджень включає в себе дослідження радіаційної стійкості TiSi і Раманівську спектроскопію вихідних зразків адсорбентa, опромінених зразків адсорбенту та зразків після адсорбції катіонів Ва²⁺.

Дослідження радіаційної стійкості відносно високо-енергетичних бета-часток проводили з використанням ⁹⁰Sr-⁹⁰Y β^- джерела «Сіріус», встановленого у Мікротронній лабораторії ДВНЗ «УжНУ». Відстань від джерела до зразків адсорбента становила 20 см. Потік електронів на такій відстані був 10⁸ e/см²‧с. Максимальна енергія бета-часток стронцію (⁹⁰Sr) становила 0.456 МеВ, бета-часток ітрію (⁹⁰Y) 2.28 МеВ. Найдовша тривалість опромінення була 21 добу, що відповідало 1310 Грей. Раманівську спектроскопію досліджуваних зразків адсорбента на основі TiSi проводили з використанням раманівського спектрометра XploRA PLUS у Центрі колективного користування «Лабораторія експериментальної і прикладної фізики» ДВНЗ «УжНУ».

Результати показують, що величина максимальної адсорбції катіонів барію адсорбентом на основі силікату титану після опромінення дозою бета-випромінювання 1310 Грей становить 140.5±9.2 мг/г (6.55 %) при довірчому інтервалі 95 %. Величина адсорбції катіонів Ва²⁺ у таких же самих умовах неопроміненим силікатом титану складає 144 мг/г. Величини адсорбції у межах похибки співпадають. Раманівські спектри опроміненого і неопроміненого силікату титану також є ідентичними, при цьому на них не ідентифікуються вільні радикали або йонні формування, які би свідчили про зміну властивостей поверхні адсорбента під дією дози бета- радіоактивності 1310 Грей.

Основний висновок даної роботи є такий, що досліджений зразок адсорбента на основі силікату титану є радіаційно-стійким. Він може витримувати дозу 1310 Грей без зміни адсорбційних властивостей. Силікат титану може бути використаний для вилучення ⁹⁰Sr із водних розчинів і як носій для ⁹⁰Sr при захороненні радіоактивних відходів.

1. Savka Kh., Kilivnik Yu., Mironyuk I., Vasylyeva H., Sych O., Karbovanets M., Yevych M. Ba2+ ions adsorption by titanium silicate. Chem. Phys. Impact. 2023. 6: 100151. https://doi.org/10.1016/j.chphi.2022.100151

2. Kouznetsova T.F., Sauka J.D., Ivanets A.I. Chapter 1 - The adsorptive properties of titanosilicate xerogels and membranes of identical genesis. In: Micro and Nano Technologies, Biocompatible Hybrid Oxide Nanoparticles for Human Health. (Elsevier, 2019). P. 3. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-815875-3.00001-1

3. Pavel C.C., Popa K. Investigations on the ion exchange process of Cs+ and Sr2+ cations by ETS materials. Chem. Eng. J. 2014. 245: 288. https://doi.org/10.1016/j.cej.2014.02.036

4. Zhuravlev I. Titanium Silicates Precipitated on the Rice Husk Biochar as Adsorbents for the Extraction of Cesium and Strontium Radioisotope Ions. Colloids Interfaces. 2019. 3(1): 36. https://doi.org/10.3390/colloids3010036

5. Vasylyeva H., Mironyuk I., Strilchuk M., Mayer K., Dallas L., Tryshyn V., Maliuk I., Hryhorenko M., Zhukov O., Savka K. Age dating of liquid 90Sr-90Y sources. Appl. Radiat. Isot. 2023. 200: 110906. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2023.110906

6. Mironyuk I., Vasylyeva H., Mykytyn I., Savka Kh., Gomonai A., Zavilopulo A., Vasyliev O. Adsorption of yttrium by the sodium-modified titanium dioxide: Kinetic, equilibrium studies and investigation of Na-TiO2 radiation resistance. Inorg. Chem. Commun. 2023. 156: 111289. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2023.111289

7. Oleksiienko O., Meleshevych S., Strelko V., Wolkersdorfer Ch., Tsyba M.M., Kylivnyk Yu.M., Levchuk I., Sitarzd M., Sillanpää M. Pore structure and sorption characterization of titanosilicates obtained from concentrated precursors by the sol-gel method. RSC Adv. 2015. 5(89): 72562. https://doi.org/10.1039/C5RA06985H

8. https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html

9. Hendee W.R., Ritenour R.E. Medical Imaging Physics. 4th edition. (New York: A John Wiley &Sons inc. publication, 2002). P. 353. https://doi.org/10.1002/0471221155

10. Marks N.A., Carter D.J., Sassi M., Rohl A.L., Sickafus K.E., Uberuaga B.P., Stanek C.R. Chemical evolution via beta decay: a case study in strontium-90. J. Phys. Condens Matter. 2013. 25(6): 065504. https://doi.org/10.1088/0953-8984/25/6/065504

11. Mironyuk I., Kaglyan A., Vasylyeva H., Mykytyn I., Gudkov D., Turovska L. Investigation of the chemical and radiation stability of titanium dioxide with surface arsenate groups during 90Sr adsorption. J. Environ. Radioact. 2022. 251-252: 106974. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2022.106974

12. Abou Hussein E.M. The impact of electron beam irradiation on some novel borate glasses doped V2O5; Optical, physical and spectral investigation. Inorg. Chem. Commun. 2023. 147: 110232. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2022.110232

13. https://www.calculator.net/standard-deviation-calculator.html

14. Mironyuk I., Tatarchuk T., Vasylyeva H., Gun'ko V.M., Mykytyn I. Effects of chemosorbed arsenate groups on the mesoporous titania morphology and enhanced adsorption properties towards Sr (II) cations. J. Mol. Liq. 2019. 282: 587. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.03.026

15. Seuthe T., Grehn M., Mermillod-Blondin A., Eichler H.J., Bonse J., Eberstein M. Structural modifications of binary lithium silicate glasses upon femtosecond laser pulse irradiation probed by micro-Raman spectroscopy. Opt. Mater. Express. 2013. 3(6):755. https://doi.org/10.1364/OME.3.000755

16. Moya A., Cherevan A., Marchesan S., Gebhardt P., Prato M., Eder D., Vilatela J.J. Oxygen vacancies and interfaces enhancing photocatalytic hydrogen production in mesoporous CNT/TiO2 hybrids. Appl. Catal., B. 2015. 179: 574. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2015.05.052

17. Hyun Chul Choi, Young Mee Jung, Seung Bin Kim. Size effects in the Raman spectra of TiO2 nanoparticles. Vib. Spectrosc. 2005. 37(1): 33. https://doi.org/10.1016/j.vibspec.2004.05.006

18. Camposeco R., Castillo S., Hinojosa-Reyes M., Mejía-Centeno I. Surface Acidity, Adsorption Capacity, and Photocatalytic Activity of SiO2 Supported on TiO2 Nanotubes for Rhodamine B Degradation. Top. Catal. 2021. 64: 84. https://doi.org/10.1007/s11244-020-01339-3

19. Singh M., Yadav B.C., Ranjan A., Kaur M., Gupta S.K. Synthesis and characterization of perovskite barium titanate thin film and its application as LPG sensor. Sens. Actuators, B. 2017. 241: 1170. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.10.018

20. Armenak A. Osipov, Leyla M. Osipova, Raman scattering study of barium borate glasses and melts. J. Phys. Chem. Solids. 2013. 74(7): 971. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2013.02.014

21. Hruška B., Dagupati R., Chromčíková M., Nowicka A. Structure and Raman spectra of binary barium phosphate glasses. J. Therm. Anal. Calorim. 2020. 142(2): 937. https://doi.org/10.1007/s10973-020-09328-0

22. Kim Y.K., Kim S., Kim Y., Bae K., Harbottle D., Lee J.W. Facile one-pot synthesis of dual-cation incorporated titanosilicate and its deposition to membrane surfaces for simultaneous removal of Cs+ and Sr2+. Appl. Surf. Sci. 2019. 493: 165. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.07.008