ГУМАТЫ ПРОТИВ РАДИАЦИИ

Уральские ученые работают над созданием новой технологии сорбционной очистки, которая может применяться для реабилитации природной среды после радиоактивного загрязнения. В основе лежит использование гуминовых кислот, группы природных органических соединений, выполняющих в биосфере роль естественных детоксикантов. Основные преимущества будущей технологии — широкая доступность исходного вещества и отсутствие вреда для окружающей среды. Подробнее об исследовании корреспонденту «НУ» рассказал доктор химических наук, заместитель директора по научным вопросам, Института химии твердого тела УрО РАН, заведующий лабораторией физико-химических методов анализа Евгений Валентинович Поляков.
— Гуминовые вещества — органические соединения, образующиеся при разложении остатков организмов и растений. Их можно обнаружить в природе повсеместно: в почве, биогенных породах, донных отложениях и поверхностных водах. В частности, гуминовые кислоты легко встретить в болотистой местности, где вода имеет желто-коричневый оттенок. И если она на просвет не мутная, а более или менее прозрачная, это есть не что иное, как раствор гуминовых веществ, или гуматов, содержащих гуминовые кислоты. Его основная роль в болотных экосистемах состоит в переносе неорганических и сложных органических элементов. Сама химия гуминовых веществ такова, что при небольшом изменении состава раствора они из высокомолекулярных полимерных соединений становятся коллоидами — частицами размером от единицы до сотен нанометров, которые постепенно объединяются и уходят в осадок, попутно захватывая с собой ненужные экосистеме элементы.
Поскольку ряд вопросов, которые исследует наша научная группа, связан с поведением радионуклидов и микроэлементов в водных растворах, меня заинтересовала химическая активность гуминовых веществ по отношению к ионам микроэлементов. Ранее эти соединения не были в поле зрения радиохимиков, ими занимались в первую очередь химики-органики и геохимики. Лишь несколько десятилетий назад стало ясно, что в природной среде гуминовые кислоты эффективно переносят в том числе и ионы радиоактивных элементов. Возник вопрос: а почему бы не воспользоваться этим и сделать так, чтобы гуминовые кислоты могли выполнять часть технологических операций по дезактивации?
Традиционно для того, чтобы удалить или разделить микроэлементы в воде, применяют неорганические или органические сорбенты. Эти твердые вещества либо помещают в колонки, через которые пропускается жидкость, либо вносят непосредственно в объем водного раствора. В обоих случаях это позволяет выделить те или иные ионы и таким образом очистить раствор или добавить в него иные компоненты. Наиболее наглядный пример сорбента — фильтры подготовки воды, широко применяемые в быту. В них содержится высокоактивный очищенный кокосовый уголь, обладающий большой удельной поверхностью. Вследствие этого материал имеет хорошие сорбционные свойства и эффективно очищает воду от органических молекул и некоторых ионов.
Естественно, чтобы сделать такой, на первый взгляд, простой фильтр, необходимо наладить соответствующее производство: должна быть создана технология, построен цех, обучены специалисты, найдены рынки сбыта и многое другое. Использование в сорбционных технологиях гуминовых кислот — как природных, так и синтетических — избавляет потребителя от большинства этих производственных проблем. Эти вещества дает нам природная среда, причем в неограниченном количестве.
— То есть гуминовые кислоты напрямую извлекаются из естественной среды?
— Да, их можно экстрагировать из почвы, торфа и углей. Также существуют водные месторождения, которыми мы, в частности, пользуемся в наших исследованиях. Но уже сейчас появился большой рынок синтезированных гуминовых кислот и производных соединений. Их применяют в основном для нужд сельского хозяйства. Так что мы использовали и этот вариант наряду с природным.
— Как именно исследуемые вами соединения могут помочь в дезактивации?
— Предполагается, что такую проблему, как заражение материалов и почвы радиоактивным цезием, ураном или стронцием можно решить с применением определенных сочетаний растворов сорбентов при участии гуминовых кислот. К примеру, если у нас сорбционно зафиксированы в почве какие-то микроэлементы в виде радионуклидов цезия, то при обработке ее раствором гуминовой кислоты цезий десорбируется и начнет двигаться в почвенной среде. Другое дело, что сама гуминовая кислота в почве передаст этот цезий куда-то в другие слои. Так и распространяется заражение. Мы же можем сделать так, чтобы в момент, когда цезий попадает в раствор гуминовой кислоты, он фиксировался специально подобранным сорбентом, который в дальнейшем можно было оттуда извлечь.
— Речь идет о неком подобии консервации?
— На химическом языке это называется сочетанием комплексообразования и сорбции, когда сложная молекула связывает ион радиоактивного элемента в растворе и этот ион перестает быть индивидуальным: он приобретает свойства своего рода большого органического комплекса. И чтобы выделить ион, нужно выделять весь комплекс с помощью процесса сорбции. Нам удалось установить, как эту операцию можно провести с использованием исключительно гуминовой кислоты и специальных сорбентов. Можно так изменить состав раствора, чтобы гуматные комплексы образовали коллоидный раствор, коагулировали и осели на дно. Но тогда проблема дезактивации почвы или водного раствора переносится в область донных отложений, что делает ее решение более проблематичным. С другой стороны, есть органические или неорганические сорбенты, которые могут извлекать отдельные ионы из раствора. Однако универсальных сорбентов нет: каждое вещество, как правило, нацелено на один или небольшую группу ионов. Поэтому мы ищем комбинации «гуминовая кислота — сорбент», в которых сорбционные свойства обеих составляющих будут усиливать друг друга.
— Насколько актуальны такие исследования для нашего региона?
— В Свердловской области, как известно, есть Белоярская атомная электростанция, которая сегодня работает на полную мощность. Рядом с ней расположен водоем-охладитель, за состоянием которого уже больше 50 лет пристально следят ученые-радиобиологи и радиоэкологи из Института экологии растений и животных УрО РАН. Ведь известно, что происходит с водоемами-охладителями возле АЭС: станции забирают из них воду для охлаждения своих тепловыделяющих систем, а затем выбрасывают ее, уже нагретую, обратно. С этой водой в водоемы и попадает радиоактивность. И если с таким «штатным» загрязнением природа еще как-то может справиться, то в случае аварии требуется вмешательство человека.
Согласно мировой статистике, в последние 50 лет с определенной очередностью на объектах ядерной энергетики возникают не просто мелкие или средние аварийные ситуации, а довольно крупные. И это определенный технологический вызов, который является своеобразным проверочным механизмом для страны, эксплуатирующей предприятия атомной энергетики: готовы ли они сдержать удар и быстро локализовать, устранить последствия чрезвычайной ситуации? Когда произошла авария на Чернобыльской АЭС, наша страна была, как казалось, совсем не подготовлена. Тогда нас даже обвиняли в недостатке культуры взаимодействия с энергоустановками. Но созданный отечественными учеными-ядерщиками научно-технологический задел (в частности, работы научных школ академика Б.П. Никольского, уральской радиохимической школы) и наработки в области неорганических сорбентов позволили нам через пять-семь лет найти меры противодействия рассеиванию радиоактивности.
Другой пример — неподготовленность к реагированию на нештатные ситуации атомно-энергетического комплекса Японии. В докладах международных экспертов отмечается, что «… причиной бедствия стал человеческий фактор. У правительства, надзорных органов и компании-оператора ТЕРСО не было чувства ответственности за жизни людей и общества». То есть даже такая сверхиндустриальная страна, как Япония оказалась не готовой к кризисной ситуации: она не имела научно-технического задела, не использовала международный опыт в этом вопросе, полностью доверив состояние комплекса компаниям-производителям из США. Мы уже несколько лет слышим о том, что реакторы на Фукусиме охлаждают морской водой. Это значит, что радионуклиды в конечном итоге попадают в море. Так, о существенном превышении радиоактивного фона в морской воде западного побережья США в 2014 году сообщают национальные службы по охране окружающей среды. Между тем извлечь радионуклиды из морской воды на несколько порядков сложнее. Японцы сейчас проходят тот путь, который в свое время прошла советская атомная наука и техника, однако весьма своеобразно: они готовы выслушать чужие советы, но в итоге хотят сделать все по-своему. Это пример удивительного индивидуализма в мире, где проблемы международной безопасности должны решаться коллективно.
Мне представляется, что важнейший урок радиационной аварии на Фукусиме — очевидная необходимость упреждающей фундаментальной научно-инженерной подготовки к нештатным радиационным ситуациям на государственном уровне. Такая подготовка позволит либо вообще избежать радиационного заражения территории, источников питьевой воды и сельскохозяйственных угодий, либо быстро локализовать его и свести последствия к нулю и для территории, и для людей. Наша страна и ее регионы должны обладать собственной учебной, научной, технической и производственной базой, способной контролировать и управлять массопереносом радиоактивных веществ, попадающих в окружающую среду в плановом или нештатном режиме.
Исследования, выполняемые нашим небольшим научным коллективом при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и правительства Свердловской области, научно-производственных компаний НПП ЭКСОРБ, ООО «БиоАгроТехнологии», радиохимиков УрФУ, имеют целью разработку новых сорбционных методов коллективной и индивидуальной дезактивации на основе гуминовых кислот, что позволит эффективно очищать не только зараженную воду, но и почву, сельскохозяйственных животных. Дополнительное преимущество разрабатываемой технологии заключается в малом воздействии химических процессов на окружающую среду: во-первых, при сорбции компоненты не выбрасывают вредные токсичные вещества, во-вторых, конечный концентрат проще утилизировать, сделать компактным и хранить в специальных местах. Но наша работа пока далека от завершения, она требует последующего масштабирования, перехода от процессов в пробирке к пилотным и промышленным технологиям очистки.

Беседу вел П.КИЕВ.
На фото:
ИХТТ УрО РАН — заведующий лабораторией физико-химических методов анализа
Е.В. Поляков, научные сотрудники И.В. Волков и Н.А. Хлебников.