1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Неорганические материалы
  4. T. 59, № 9, 2023

Неорганические материалы, 2023, T. 59, № 9, стр. 1060-1066

Химическая устойчивость фосфата CsZr2(PO4)3 со структурой коснарита в различных средах

Л. С. Алексеева 1, *, А. В. Нохрин 1, А. И. Орлова 1, М. С. Болдин 1, А. В. Воронин 1, А. А. Мурашов 1, В. Н. Чувильдеев 1

1 Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
603022 Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, Россия

* E-mail: golovkina_lyudmila@mail.ru

Поступила в редакцию 14.03.2023
После доработки 08.07.2023
Принята к публикации 15.08.2023

Аннотация

Фосфат CsZr2(PO4)3 со структурой минерала коснарита получен золь–гель-методом при 900°C. Методом электроимпульсного плазменного спекания получена керамика на основе исследуемого фосфата. Относительная плотность керамики составила 75.5%. Изучена химическая устойчивость керамических образцов в статическом режиме при 90°C в дистиллированной и минеральной водах, а также в слабокислой и слабощелочной средах. Достигнутые минимальные скорости выщелачивания Cs составили ~10–4–10–5 г/(см2 сут). Изучено влияние контактной среды на механизм выщелачивания цезия из керамики CsZr2(PO4)3.

Ключевые слова: минералоподобные матрицы, коснарит, керамика, гидролитические испытания, механизм выщелачивания

Список литературы

  1. Donald I.W., Metcalfe B.L., Taylor R.N.J. The Immobilization of High Level Radioactive Wastes Using Ceramics and Glasses // J. Mater. Sci. 1997. V. 32. P. 5851–5887. https://doi.org/10.1023/A:1018646507438

  2. Stefanovsky S.V., Yudintsev S.V., Gieré R., Lumpkin G.R. Nuclear Waste Forms // Energy, Waste and Environment: Geological Society of London Special Publications. 2004. V. 236. P. 37–63. https://doi.org/10.1144/GSL.SP.2004.236.01.0

  3. Liu H., Wang H., Zhao J., Li J., Zhang X., Yang J., Zhu Y., Xie R., Zheng K., Huang H., Huo J. Immobilization of Cs and Sr within Perovskite-Type Ba0.7-ySry(La, Cs)0.3ZrO3 Glass/Ceramic Composite Waste Form // Ceram. Int. 2022. V. 48. № 23. Part A. P. 34298–34307. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.08.007

  4. Liu Q., Feng L., Sun Y., Fang S., Zhang Z., Han N., Wang J., Zhang C., Wang T. Effects of Phosphate Glass on Cs+ Immobilization in Geopolymer Glass-Ceramics // Ceram. Int. 2023. V. 49. № 4. P. 6545–6553. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.10.113

  5. Fang S., Sun Y., Feng L., Liu Q., Zhang Z., Han N., Wang P., Zhou Y., Wang J., Zhang C., Wang T. Effects of Borosilicate Glass on Pollucite Crystallization and Cs+ Immobilization in Geopolymer Materials // J. Non-Cryst. Solids. 2022. V. 595. P. 121836. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2022.121836

  6. Yang Y., Cao X., Shi L., Zhang Z., Wang P., Li J., Sun Y., Chen S., Wang T., Ma L., Peng S. Thermal Evolution Effects on the Properties of Converting Cs-Polluted Soil into Pollucite-Base Glass-Ceramics for Radioactive Cesium Immobilization // J. Materiomics. 2021. V. 7. № 6. P. 1335–1343. https://doi.org/10.1016/j.jmat.2021.01.001

  7. Yang Y., Wang T., Zhang Z., Ke Z., Shan C., Cao X., Ma L., Peng S. A Novel Method to Convert Cs-Polluted sSoil into Pollucite-Base Glass-Ceramics for Cs Immobilization // Chem. Eng. J. 2020. V. 385. P. 123844. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123844

  8. He P., Fu S., Wang M., Duan X., Wang Q., Li D., Yang Z., Jia D., Zhou Y. B2O3-Assisted Low-Temperature Crystallization of Pollucite Structures and Their Potential Applications in Cs+ Immobilization // J. Nucl. Mater. 2020. V. 540. P. 152314. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152314

  9. Wang J., Wei Y., Wang J., Zhang X., Wang Y., Li N. Simultaneous Immobilization of Radionuclides Sr and Cs by Sodium Zirconium Phosphate Type Ceramics and Its Chemical Durability // Ceram. Int. 2022. V. 48. № 9. P. 12772–12778. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.01.147

  10. Jing Z., Yuan Y., Hao W., Miao J. Synthesis of Pollucite with Cs-Polluted Incineration Ash Mixed with Soil for Immobilization of Radioactive Cs // J. Nucl. Mater. 2018. V. 510. P. 141–148. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.07.047

  11. Grote R., Hong T., Shuller-Nickles L., Amoroso J., Tang M., Brinkman K.S. Radiation Tolerant Ceramics for Nuclear Waste Immobilization: Structure and Stability of Cesium Containing Hollandite of the Form (Ba,Cs)1.33(Zn,Ti)8O16 and (Ba,Cs)1.33(Ga,Ti)8O16 // J. Nucl. Mater. 2019. V. 518. P. 166–176. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2019.03.005

  12. Fang Z., Xu X., Yang X., Xie H., Zhao X., Wang B., Zhao D., Yang Y. Structural Stability and Aqueous Durability of Cs Incorporation into BaAl2Ti6O16 Hollandite // J. Nucl. Mater. 2022. V. 565. P. 153716. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2022.153716

  13. Orlova A.I. Crystalline Phosphates for HLW Immobilization – Composition, Structure, Properties and Production of Ceramics. Spark Plasma Sintering as a Promising Sintering Technology // J. Nucl. Mater. 2022. V. 559. P. 153407. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.153407

  14. Петьков В.И., Асабина Е.А., Лукутцов А.А., Корчемкин И.В., Алексеев А.А., Демарин В.Т. Иммобилизация цезия в минералоподобные матрицы со структурой тридимита, коснарита, лангбейнита // Радиохимия. 2015. Т. 57. № 6. С. 540–546.

  15. Nomura N., Kikawada Y., Oi T. Immobilization of Cesium by Zirconium Phosphate // J. Radioanal. Nucl. Chem. 2015. V. 304. P. 683–691. https://doi.org/10.1007/s10967-014-3853-z

  16. Chen S., Guo J.-F., Xu B., Sun X.-W. Sintering of Metakaolin-Based Na-Pollucite Ceramics and Their Immobilization of Cs // Ann. Nucl. Energy. 2020. V. 145. P. 107595. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2020.107595

  17. Орлова А.И., Трошин А.Н., Михайлов Д.А., Чувильдеев В.Н., Болдин М.С., Сахаров Н.В., Нохрин А.В., Скуратов В.А., Кирилкин Н.С. Фосфорсодержащие соединения цезия со структурой поллуцита. Получение высокоплотной керамики и ее радиационные испытания // Радиохимия. 2014. Т. 56. № 1. С. 87–92.

  18. Balaji D., Kumar S.P. Langbeinite Phosphosilicates K2–xCsxZr2P2SiO12 (x = 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) for Cesium Encapsulation; Synthesis, Chemical Durability and Thermal Expansion Study // Ceram. Int. 2021. V. 47. № 20. P. 28951–28959. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.07.055

  19. Орлова А.И., Корытцева А.К., Логинова Е.Е. Семейство фосфатов со структурой лангбейнита. Кристаллохимический аспект иммобилизации радиоактивных отходов // Радиохимия. 2011. Т. 53. № 1. С. 48–57

  20. Montel J.-M. Minerals and Design of New Waste Forms for Conditioning Nuclear Waste // C. R. Geoscience. 2011. V. 343. P. 230–236.

  21. Scheetz B.E., Agrawal D.K., Breval E., Roy R. Sodium Zirconium–Phosphate (NZP) as a Host Structure for Nuclear Waste Immobilization: A Review // Waste Manag. 1994. V. 14. P. 489–505.

  22. Asabina E.A., Pet’kov V.I. Synthesis, Structural Study and Thermal Expansion of Cesium Dititanium Tris(Phosphate) // Eurasian Chem. Technol. J. 2010. V. 12. № 3–4. P. 189–194.

  23. Salvato D., Vigier J.-F., Cologna M., Luzzi L., Somers J., Tyrpekl V. Spark Plasma Sintering of Fine Uranium Carbide Powder // Ceram. Int. 2017. V. 43. № 1. Part A. P. 866. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.09.136

  24. Yang K., Kardoulaki E., Zhao D., Broussard A., Metzger K., White J.T., Sivack M.R., Mcclellan K.J., Lahoda E.J., Lian J. Uranium Nitride (UN) Pellets with Controllable Microstructure and Phase – Fabrication by Spark Plasma Sintering and Their Thermal-Mechanical and Oxidation Properties // J. Nucl. Mater. 2021. V. 557. P. 153272. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.153272

  25. Chakraborty N., Basu D., Fisher W. Thermal Expansion of Ca1–xSrxZr4(PO4)6 Ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 2005. V. 25. P. 1885–1893. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2004.06.019

  26. Orlova A.I., Volgutov V.Yu., Mikhailov D.A., Bykov D.M., Skuratov V.A., Chuvil’deev V.N., Nokhrin A.V., Boldin M.S., Sakharov N.V. Phosphate Ca1/4Sr1/4Zr2(PO4)3 of the NaZr2(PO4)3 Structure Type: Synthesis of a Dense Ceramic Material and Its Radiation Testing // J. Nucl. Mater. 2014. V. 446. № 1–3. P. 232–239. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2013.11.025

  27. De Groot G.J., Van der Sloot H.A. Determination of Leaching Characteristics of Waste Minerals Leading to Environmental Product Certification // Stabilization and Solidification of Hazardous, Radioactive and Mixed Wastes / Eds. Gilliam T.M., Wiles C.C. V. 2. Philadelphia: ASTM, 1992. P. 149–170.

  28. Torras J., Buj I., Rovira M., de Pablo J. Semi-Dynamic Leaching Tests of Nickel Containing Wastes Stabilized/Solidified with Magnesium Potassium Phosphate Cements // J. Hazard. Mater. 2011. V. 186. P. 1954–1960. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.12.093

  29. Xue Q., Wang P., Li J.-S., Zhang T.-T., Wang S.-Y. Investigation of the Leaching Behavior of Lead in Stabilized/Solidified Waste Using a Two-Year Semi-Dynamic Leaching Test // Chemosphere. 2017. V. 166. P. 1–7. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.09.059

  30. Орлова В.А., Козлов П.В., Джевелло К.А., Балакина В.А., Беланова Е.А., Галузин Д.Д., Ремизов М.Б. Фазообразование в фосфатных и боросиликатных стеклах, содержащих железо, хром, никель и серу // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. С. 890–897. https://doi.org/10.1134/S0002337X19080116

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Неорганические материалы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал