Синтез лангбейнитоподобного соединения со смешанной анионной частью — матрицы для компонентов РАО

В работе представлены результаты синтеза и исследований порошковых образцов K ₂ [Cd _0,004 Mn _0,102 Ni _0,054 Zr _1,3385 Mg _0,5015 ](MoO ₄ ) _0,285 (SO ₄ ) _0,038 (PO ₄ ) _2,67 со структурой минерала лангбейнита .

Ключевые слова: минералоподобный, РАО, микроструктура.

Деятельность атомных электростанций и предприятий атомной промышленности сопровождается накоплением радиоактивных отходов, которые в дальнейшем необходимо переработать и изолировать от окружающей среды. К вмещающим матрицам предъявляются следующие общие требования: высокая химическая устойчивость, радиационная устойчивость, термодинамическая стабильность, механическая прочность, гомогенное распределение радионуклидов [1]. Исходя из перечисленных требований, перспективными материалами для иммобилизации отходов являются минералоподобные формы. Они могут иметь оксидную и/или солевую природу [2, 3]. Одной из главных структурных характеристик таких форм является их широкий изовалентный и гетеровалентный изоморфизм, позволяющий включать в одну и ту же кристаллографическую позицию нескольких катионов (от двух и более).

В качестве возможных матриц предлагают использовать соединения в том числе со структурой минерала лангбейнита [4].

В настоящей работе был выполнен синтез сложного соединения K ₂ [Cd _0,004 Mn _0,102 Ni _0,054 Zr _1,3385 Mg _0,5015 ](MoO ₄ ) _0,285 (SO ₄ ) _0,038 (PO ₄ ) _2,67 , включающего в состав компоненты рафината фракционирования, образующегося при переработке радиоактивных отходов. Порошковый образец синтезировали золь-гель методом. Для этого готовили растворы, содержащие отдельно компоненты катионной и анионной частей соединения. Далее при перемешивании по каплям приливали раствор с компонентами анионной части к раствору с компонентами катионной части. Наблюдали образование геля, выпаривание которого продолжали при 90 °С при перемешивании. Сухую шихту перетирали в агатовой ступке и выдерживали при Т = 600, 700, 800 °С по 6 часов на каждой стадии высокотемпературной обработки.

Фазовый состав порошка исследовали после каждой стадии отжига методом рентгенофазового анализа на рентгеновском дифрактометре Shimadzu LabX XRD-6000. Дифференциальный термический анализ проводили на термоанализаторе для исследований термической стабильности и фазовых превращений при нагреве Netzsch STA 449F1

Для оценки параметров микроструктуры полученных образцов и их элементного состава использовали метод сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного анализа на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6490 с рентгеновским микроанализатором Oxford Instruments INCA-350.

По данным РФА, соединение K ₂ [Cd _0,004 Mn _0,102 Ni _0,054 Zr _1,3385 Mg _0,5015 ](MoO ₄ ) _0,285 (SO ₄ ) _0,038 (PO ₄ ) _2,67 кристаллизовалось в запланированной структуре лангбейнита (рис. 1). При этом структура начинала формироваться уже после выдерживания при температуре 600 °С.

Т, ºC = а — 600, б — 700, в — 800

По данным ДСК установили, соединение устойчиво до температур ~ 900 °С. При более высоких температурах начинается плавление вещества, сопровождающееся незначительной потерей массы (рис. 2).

Рис. 2. Данные ДСК. красная кривая — ТГ, синяя кривая — ДТА

Элементный анализ продукта синтеза показал наличие в составе всех заявленных компонентов (рис. 3).

Рис. 3. Данные рентгеноспектрального микроанализа образца K ₂ [Cd _0,004 Mn _0,102 Ni _0,054 Zr _1,3385 Mg _0,5015 ](MoO ₄ ) _0,285 (SO ₄ ) _0,038 (PO ₄ ) _2,67

Из фотографий микроструктуры (рис. 4) видно, что порошок K ₂ [Cd _0,004 Mn _0,102 Ni _0,054 Zr _1,3385 Mg _0,5015 ](MoO ₄ ) _0,285 (SO ₄ ) _0,038 (PO ₄ ) _2,67 содержал агломераты размером до 500 мкм, а размер отдельных частиц составлял ~ 0,2–1,5 мкм.

На основе полученных данных можно заключить, что возможно включение компонентов рафината процесса фракционирования в лангбейнитоподобное соединение со смешанной анионной частью.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 21–13–00308 «Высокоустойчивые керамическиe материалы на основе сложных соединений с тетраэдрическими оксоанионами ХO ₄ : моделирование, строение, свойства и научные основы новых технологий синтеза”

1. Stefanovsky S. V., Yudintsev S. V., Giere R., Lump-kin G. R. Energy, Waste and the Environment: A Geological Perspective. Geological Society, London. — Special Publication. — V. 236. — P. 37–63–2004.
2. Krivovichev S. V., Burns P. C., Tananaev I. G. (eds.). Structural Chemistry of Inorganic Actinide Compounds — Elsevier B. V. — 2007
3. Orlova A. I., Ojovan M. I. Ceramic Mineral Waste-Forms for Nuclear Waste Immobilization — Materials — 12 — P. 2638–2019
4. Kumar S. P., Gopal B. New rare earth langbeinite phosphosilicates KBaREEZrP ₂ SiO ₁₂ (REE: La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy) for lanthanide comprising nuclear waste storage — J. Alloy. Compd. — 657– P. 422–429–2016.