Способность графена вытягивать с высокой скоростью радиоактивные материалы из водных растворов обнаружили ученые лабораторий из МГУ и Университета Райса (США). Это свойство можно использовать при очистке мест, зараженных радиацией, как «Фукусима», а также для усовершенствования технологий по добыче редкоземельных элементов и сланцевых углеводородов.
В ходе экспериментов исследователи обнаружили, что микроскопические чешуйки оксида графена толщиной, как и положено, в один атом быстро связывают радионуклиды различного происхождения и собирают их отдельные ионы в твердые тела. Эти чешуйки легко растворяются в воде и, вытянув из нее радиоактивные вещества, собираются в комья, которые легко извлечь и каким-нибудь образом утилизировать — например, сжечь.
По словам Джеймса Тура, возглавляющего группу из Университета Райса, это открытие может оказаться самым настоящим благом при очистке мест, зараженных радиоактивными материалами, таких, например, как территория АЭС «Фукусима-1».
Более того, по словам Тура, оно может существенно снизить стоимость технологии так называемого фрекинга, с помощью которого добываются сегодня сланцевые газ и нефть.
Оксид графена вообще замечательный материал. Он появился довольно скоро после графена, и сразу выяснилось, что у него есть множество самых разнообразных применений. Он может стать незаменимым в электронике, может быть средством доставки лекарств к раковой опухоли, превосходным химическим катализатором и еще много чем, из него можно восстанавливать чистый графен, и, что самое интересное, его можно получать намного проще и дешевле, чем сам графен. Пару лет назад китайские физики выяснили, что оксид графена обладает еще и бактерицидными свойствами, поскольку умеет связывать токсины.
Поэтому способность оксида графена с высокой эффективностью производить радиоактивную очистку воды была вполне ожидаемой.
Неожиданной, по словам заведующего лабораторией дозиметрии и радиоактивности окружающей среды химического факультета МГУ Степана Калмыкова, оказалась феноменальная скорость этой очистки.
Чешуйки оксида графена синтезировались группой Тура, а сами эксперименты с ними проводились в лаборатории Калмыкова. Ученые испытывали эти чешуйки на растворах, содержащих уран, плутоний, а также натрий и кальций, которые препятствуют абсорбции. Но даже при всех этих препятствиях оксид графена намного эффективнее и быстрее, чем сорбенты, традиционно применяемые для радиоактивной очистки, — бентонитовые глины и гранулированный активированный уголь.
Радиоактивные примеси выпадали в осадок за считанные минуты.
По словам Джеймса Тура, идея использовать оксид графена для радиоактивной очистки и провести для этого совместные эксперименты возникла несколько лет назад, когда его аспирант Александр Слесарев и Анна Романчук, аспирантка из лаборатории Калмыкова, случайно встретились на одной из конференций. Следует также отметить, что за исключением самого Джеймса Тура все авторы статьи — наши соотечественники.
Одним из главных направлений этой совместной работы было извлечение из растворов радиоактивных изотопов актинидов и лантанидов. Эти тридцать элементов таблицы Менделеева представляют собой семейство так называемых редкоземельных металлов. Наличие в их рудах и растворах радиоактивных изотопов делает добычу «редких земель» очень вредным для здоровья занятием. В США, например, она практически запрещена из-за несоответствия экологическим требованиям, хотя «редкие земли» требуются для электроники и, в частности, для мобильных телефонов во все больших количествах. В Китае таких экологических запретов не существует, и не в последнюю очередь из-за их отсутствия он сегодня стал монополистом в добыче редкоземельных металлов.
Возможно, применение графеновой очистки редких земель сможет существенно ослабить эту монополию.
Что же касается фрекинга, о котором говорил Джеймс Тур, то здесь дело тоже упирается в радионуклиды естественного происхождения. В ходе этого процесса в горизонтальную шахту загоняется под давлением смесь воды, песка и ряда химических соединение. Под воздействием этой смеси внутренняя поверхность сланцевых штреков растрескивается, и, когда она высасывается из шахты, вслед за ней из трещин начинают поступать высвобожденные газ или нефть. Это очень дорогостоящая и неэкологичная процедура, вредоносность которой определяется в том числе и радионуклидами, извлеченными на поверхность вместе с водой, которую тоже можно очищать оксидом графена.