Пористый материал, способный поглотить до 125% молекулярного йода по отношению к собственной массе позволит очищать окружающую среду от радиоактивного йода.

Исследователи из США продемонстрировали, что новый материал может оказаться полезным для улавливания радиоактивного йода, выбросы которого происходят при повторной обработке ядерного топлива, а также могут предотвратить случайное попадание радиоактивного йода в окружающую среду, как, например, это произошло в начале этого года в результате аварии АЭС Фукусима.

Новый материал представляет собой металлоорганическую каркасную структуру (metal-organic framework (MOF)), высокопористый материал со значительной площадью внутренней поверхности, идеальный для адсорбции больших объемов газа. Тина Ненофф (Tina Nenoff) с коллегами показала, что MOF, известный как цеолитная имидазолятная каркасная структура-8 [zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8)], может использоваться для необратимого улавливания больших объемов йода.

Радиоактивные изотопы йода являются одной из самых значимых проблем, связанных с ядерной энергетикой, так как из-за способности йода возгоняться, его радионуклиды могут переходить в газообразное состояние и попадать в атмосферу. Период полураспада нуклида ¹²⁹I характеризуется периодом полураспада 1.57×10⁷ лет, в то время как для ¹³¹I период полураспада составляет 8 дней.

Ненофф заявляет, что материалы, которые в настоящее время используются для улавливания радиоактивного йода, могут поглотить лишь небольшое количество паров йода.

Рис. 1. Клетка металлоорганической каркасной
структуры может улавливать йод. (Рисунок из
J. Am. Chem. Soc., 2011, DOI: 10.1021/ja204757×).

Ненофф продемонстрировала, что ZIF-8 может поглощать и удерживать до 125% йода от своей массы, что на порядок выше возможностей применяющихся в настоящее время для адсорбции радиоактивного йода цеолитов.

Выбор исследователей пал на ZIF-8, так как диаметр пор в этой металлоорганической каркасной структуре составляет 3,4 Ангстрем, такой размер вполне достаточен для диффузии йода внутрь координационной «губки».

При этом прочность связывания йода с ZIF-8 столь велика, что «выдавить» йод из губки удаётся только с помощью нагрева до 575K.

То обстоятельство, что каркасный материал способен связывать йод при сравнительно умеренном нагревании, весьма важно – исследователи продемонстрировали, что после адсорбции йода ZIF-8 могут быть инкорпорированы в стеклообразные материалы с низкой температурой спекания, что позволяет провести уже постоянную иммобилизацию йода в гомогенном твердом материале для последующего долговременного хранения.

Чтобы убедиться в возможности реального практического применения ZIF-8 Ненофф скооперировалась с коллегами из Национальной лаборатории Оак Ридж, где предполагается провести полевые испытания металлокаркасной структуры в качестве адсорбента радиоактивного йода, образующегося при регенерации ядерного топлива. Также исследователи планируют изучить особенности химического связывания молекулы йода с порами ZIF-8 и синтезировать новые металлоорганические каркасные структуры.

Лу Вэнс (Lou Vance) из Австралийского Центра Ядерных исследований отмечает, что работа Ненофф представляет собой полезную разработку – ZIF-8 отличается отличной адсорбционной ёмкостью по отношению к йоду. Возможно, что ZIF-8 можно будет использовать для кратковременной (несколько месяцев) фиксации короткоживущего ¹³¹I, после распада йода до нуклида ¹³¹Xe материал может быть использован повторно. Однако, добавляет исследователь из Австралии, радиоактивный йод – лишь малая проблема, возникающая в связи с необходимостью утилизации и хранения радиоактивных отходов.