Pomysł na skuteczne usuwanie radioaktywnego pierwiastka

Sumanen jest, jak na chemię organiczną, młodym związkiem. Odkrył go w 2003 roku prof. Hidehiro Sakurai z Osaka University w Japonii. Na Politechnice Warszawskiej badania nad tym związkiem aromatycznym prowadzi dr inż. Artur Kasprzak z Wydziału Chemicznego. Badacz zapoczątkował badania praktycznego zastosowania sumanenu w roli selektywnego receptora kationów cezu i jest jedynym naukowcem na świecie opracowującym praktyczne zastosowania sumanenu w tym zakresie.

– Sumanenem zainteresowałem się w 2019 roku podczas stażu naukowego w Osaka University, gdy pracowałem w zespole prof. Sakurai – opowiada dr inż. Artur Kasprzak. – Badania prowadzone w ramach grantu badawczego Technologie Materiałowe-3 również realizowane są we współpracy z zespołem badawczym profesora – wyjaśnia.

Podczas odbywania stażu w Japonii, naukowiec z PW zwrócił uwagę, że większość badań prowadzonych nad sumanenem to głównie badania strukturalne i syntetyczne. Brakowało w nich informacji o praktycznym wykorzystaniu sumanenu. Udało mu się jedynie znaleźć wzmiankę, że sumanen w sposób selektywny oddziałuje z kationami cezu.

Powszechnie wykorzystywany, mimo że toksyczny

Izotop ¹³⁷Csjest stosowany w leczeniu nowotworów. Z kolei fluorek cezu i węglan cezu, ze względu na zwiększanie produktywności reakcji, wykorzystywane są w rutynowych reakcjach chemicznych w laboratoriach, m.in. w przemyśle farmaceutycznym. Mimo uznania przez amerykańską Agencję Żywności i Leków (FDA) chlorku cezu za toksyczny dla ludzi, jest on wykorzystywanych w suplementach diety. Nie można zapomnieć również o przedostaniu się radioaktywnego cezu do środowiska w katastrofach w elektrowniach atomowych.

– Ponieważ Japonia jest krajem wyspiarskim, większy problem niż w Czarnobylu, wystąpił w Fukushimie, ponieważ toksyczny cez przedostał się do wody, w tym do wód gruntowych, w tym na tereny, na których uprawiany jest ryż – mówi dr Kasprzak. –  Nie możemy także zapomnieć o występowaniu prądów morskich i o wpływie tego radioaktywnego pierwiastka na ryby – dodaje.

Dodatkowo, izotop ¹³⁷Csma niekorzystny okres połowicznego rozkładu, tzn. czas, po którym zostaje połowa nuklidów pierwiastka. Okres rozpadu cezu wynosi 30 lat, co oznacza, że przez minimum 30 kolejnych lat, po przedostaniu się do środowiska, będzie on w nim występował.

Usuwanie cezu

Niebezpieczeństwo odpadów cezu dla środowiska naturalnego i życia ludzi spowodowało rozwój materiałów dedykowanych usuwaniu soli cezu z roztworów wodnych. Badania te zostały zintensyfikowane po katastrofie elektrowni atomowej w Japonii w 2011 roku. Jednak problemem dotychczas opracowanych adsorbentów jest ich niska selektywność względem soli cezu i usuwanie wszystkich kationów (brak selektywności), w tym tych pożądanych, jak potas i magnez. Dodatkowo, utylizacja odpadów cezu jest bardzo kosztowna.

W ramach projektu dra Kasprzaka został wytworzony materiał funkcjonalny składający się z magnetycznych nanocząstek węglowych z rdzeniem kobaltowym modyfikowanych sumanenem. 

Odpowiedź nanoadsorbenta na przyłożenie magnesu neodymowego.

Nasuwa się pytanie, że skoro sam sumanen tak dobrze radzi sobie w roli selektywnego receptora molekularnego kationu cezu, po co zastosowanie materiału o właściwościach magnetycznych?

– Materiał absorbujący cez wsypuje się do zanieczyszczonej wody – mówi dr Kasprzak. –  Jego właściwości magnetyczne pozwalają na szybkie, łatwe i dokładne oddzielenia materiału od roztworu. Jeśli wrzucimy do zanieczyszczonej wody materiał bez tych właściwości, musimy oddzielić go w inny sposób, jak chociażby poprzez odsączanie. W kuchni jest to proste, ale w przemyśle już nie jest to takie wygodne. Właściwości magnetyczne ułatwiają cały ten proces. Wystarczy, że przyłoży się magnes do fiolki i materiał oddziela się od roztworu, a wraz z nim cez – wyjaśnia.

Proces rozdziału nanoadsorbenta od roztworu wodnego.

Wideo przedstawiające proces rozdziału nanoadsorbenta od roztworu wodnego (kliknij)

We współpracy z zespołem z Japonii dr Kasprzak przeprowadził badania potwierdzające, że opracowany materiał usuwa cez z roztworu. By potwierdzić selektywne usuwanie cezu, jako inteferenty, czyli kationy, które mają przeszkadzać w usuwaniu cezu, zastosowano sód i potas, które są obecne w środowisku. Obie te kwestie zostały potwierdzone.

– Przeprowadziłem syntezę prekursora leku stosowanego w leczeniu nowotworów. Jego synteza składa się z kilkunastu etapów i na jednym z nich jest stosowana sól cezu. Sprawdziłem czy przy zastosowaniu wytworzonego materiału można usunąć ze ścieków wodnych, powstających w tej syntezie, cez. Udało mi się potwierdzić, że proces usuwania cezu przeszedł pomyślnie.

Badacz potwierdził również, że wytworzony materiał może być wykorzystywany wielokrotnie, ma dużą pojemność adsorpcyjną i można go łatwo regenerował – wystarczy wypłukać cez przy użyciu małej ilości wody, dzięki czemu można zmniejszyć objętość ścieku wodnego, która zawiera cez i obniżyć koszty związane z przechowywaniem/utylizacją odpadów.

_

Projekt „Magnetyczne nanoadsorbenty zawierające sumanen do selektywnego i efektywnego usuwania soli cezu z roztworów wodnych lub organicznych” jest finansowany ze środków Centrum Badawczego POB Technologie materiałowe programu Inicjatywa Doskonałości - Uczelnia Badawcza, który realizowany jest na Politechnice Warszawskiej.