Việc ứng dụng rộng rãi năng lượng hạt nhân đã đẩy vấn đề ô nhiễm phóng xạ trở thành chủ đề nóng hiện nay trên toàn thế giới. Các quốc gia phát triển sử dụng hạt nhân là nguồn năng lượng đóng vai trò không thể thiếu đã và đang dồn nguồn lực nghiên cứu xử lý nước thải phóng xạ. Các phương pháp xử lý nước thải phóng xạ hiệu quả đã trở thành vấn đề cấp thiết nhất trong quá trình phát triển công nghệ hạt nhân.
Công nghệ hấp phụ
Việc sử dụng công nghệ hấp phụ để xử lý chất thải phóng xạ thường đề cập đến phương pháp kỹ thuật sử dụng vật liệu hấp phụ xốp để loại bỏ các hạt nhân phóng xạ trong chất thải phóng xạ. Các loại chất hấp phụ khác nhau có thể được lựa chọn để xử lý tùy thuộc vào tính chất của chất thải. Các loại vật liệu hấp phụ khác nhau có thể được chia thành vật liệu hấp phụ vô cơ (chủ yếu là zeolite, than hoạt tính, bentonite, v.v.), vật liệu hấp phụ sinh khối (như cellulose, chitosan, v.v.) và vật liệu polymer tổng hợp (như nhựa). Đối với các vật liệu hấp phụ vô cơ, zeolite rẻ, dễ thu được và có hệ số khử nhiễm các hạt nhân phóng xạ trong nước cao hơn, từ 62 đến 68. Nó cao hơn khoảng 10 hoặc thậm chí 20 lần so với các vật liệu khác và có chức năng trao đổi và lọc ion. Mặc dù than hoạt tính có khả năng hấp phụ mạnh và khử nhiễm và loại bỏ tạp chất tốt nhưng hiệu suất tái sinh kém và chi phí cao đã hạn chế ứng dụng của nó.
Cần thừa nhận rằng các vật liệu tự nhiên nhìn chung không có khả năng hấp phụ cao. Vì vậy, cần tập trung nhiều hơn vào việc phát triển vật liệu hấp phụ có khả năng hấp phụ tốt, độ chọn lọc cao và khả năng tái sản xuất tốt. Yang và cộng sự đã tổng hợp titan ferrocyanide (hf-TiFC) kết hợp với các chất hấp phụ Cs thông thường (như zeolit và tinh thể titanat silicat (CST)). So với Cs, hiệu suất hấp phụ của Cs được tăng cường đáng kể. Với TiFC hai chiều, do diện tích bề mặt hiệu dụng của hf-TiFC tăng lên nên khả năng hấp phụ tối đa (454,54 mg·g−1) tăng đáng kể, cao gấp ba lần so với TiFC hai chiều. Trong thử nghiệm phóng xạ, ngay cả hf-TiFC nồng độ thấp (0,1 g·L−1) cũng cho thấy hiệu suất loại bỏ tuyệt vời trong nước biển mô phỏng và chất thải hạt nhân ở pH = 1 và 5,7 M Na+, ở 137C ban đầu. Khi hoạt độ riêng khoảng 110 Bq·g−1, hiệu suất loại bỏ vượt quá 99,1%. Vì stronti có chu kỳ bán rã dài nên việc loại bỏ stronti là cần thiết để quản lý chất thải phóng xạ. Eka và cộng sự đã tổng hợp một loại polymer dựa trên melamine-styrene (MSBP) có khả năng chống bức xạ tốt, được sử dụng để loại bỏ các ion Sr2+ khỏi dung dịch. Ảnh hưởng của giá trị pH, liều lượng chất hấp phụ, nồng độ ban đầu của Sr2+, thời gian tiếp xúc, nhiệt độ, kích thước hạt, v.v. đến quá trình hấp phụ đã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy, khả năng hấp phụ cực đại của chất hấp phụ MSBP đối với Sr2+ có thể đạt tới 142,9 mg·g−1. Yang và cộng sự đã tổng hợp chất hấp phụ nano từ tính có chức năng đồng-natri ferricyanide (NaCuHCF) để loại bỏ chất phóng xạ Caesium khỏi nước biển. Kết quả cho thấy chất hấp phụ NaCuHCF-PEI-MNC có thể đạt hiệu suất hấp phụ 97,35% Cs trong vòng 5 phút và khả năng hấp phụ tối đa đối với Cs có thể đạt tới 166,67 mg·g−1. Chất hấp phụ có độ chọn lọc tốt và ổn định. Nó có thể tồn tại ổn định trong khoảng pH từ 4 ~ 10. Nó cũng có thể hấp phụ chọn lọc Cs+ khi có mặt các ion cạnh tranh như Na+, K+, Mg2+ và Ca2+. Các thí nghiệm với nước biển thật cho thấy hiệu suất loại bỏ Cs+ rất tốt, với tỷ lệ loại bỏ trên 99,73% và hệ số lọc trên 372.
Titan ferrocyanide hình bông hoa rỗng (hf-TiFC) bao gồm các mảnh TiFC hai chiều được sử dụng để loại bỏ 137C khỏi nước và nâng cao hiệu suất hấp phụ của các đường đẳng nhiệt Cs: (A) và ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ Cs; (B) Ảnh SEM; (C) hiệu ứng loại bỏ.
Công nghệ sinh học
Công nghệ sinh học loại bỏ các hạt nhân phóng xạ thông qua các cơ chế biến đổi sinh học, hấp thụ sinh học, tích lũy sinh học, lắng đọng và hòa tan bằng cách sử dụng thực vật hoặc tế bào vi sinh vật làm môi trường. Công nghệ này có ưu điểm là bảo vệ môi trường, hiệu quả cao, nhẹ nhàng, chi phí thấp, tiêu thụ năng lượng thấp và không gây ô nhiễm thứ cấp. Nó làm giảm đáng kể chất thải phóng xạ.
Cơ chế xử lý sinh học chất thải phóng xạ nồng độ thấp
Công nghệ sinh học đã được nghiên cứu để xử lý chất lỏng phóng xạ ở mức độ thấp từ những năm 1960 và hiện nay đã đạt được nhiều tiến bộ. Ferreira đã nuôi cấy các khuẩn lạc vi khuẩn ở các khu vực khai thác uranium và các khu vực khai thác phi uranium để xử lý chất thải phóng xạ. Người ta phát hiện ra rằng các khuẩn lạc được nuôi cấy ở các khu vực khai thác có chứa uranium có khả năng phân hủy chất thải hữu cơ phóng xạ và khả năng hấp phụ hạt nhân phóng xạ tốt hơn so với các khuẩn lạc được nuôi cấy ở các khu vực khai thác không chứa uranium. Trong số đó, ở nồng độ cao hơn, các khuẩn lạc nuôi cấy trong đất của các khu vực khai thác chứa urani có thể hấp thụ 92% urani và 100% 241Am và 137C. Kết quả nghiên cứu trên cho thấy các khuẩn lạc được trồng trên đất của các khu vực khai thác chứa uranium rất thích hợp để xử lý chất thải hữu cơ phóng xạ khối lượng lớn. Gorbunova và cộng sự đã sử dụng các khuẩn lạc vi sinh vật để xử lý trước chất thải hữu cơ có tính phóng xạ ở mức độ thấp. Kết quả cho thấy do có sự hiện diện của các hoạt chất trên bề mặt sinh học nên các khuẩn lạc vi sinh vật có thể oxy hóa 60% thành phần hữu cơ thành nước và carbon dioxide, có tác dụng làm giảm thể tích chất thải phóng xạ một cách hiệu quả. Quá trình sử dụng vi sinh vật để xử lý chất thải phóng xạ lỏng tương đối phức tạp và bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các yếu tố môi trường như pH, loại nuclide, thời gian xử lý và nồng độ ban đầu.
Trong một nghiên cứu của Liu, lần đầu tiên người ta đề xuất sử dụng Bacillus subtilis để xử lý Sr2+ trong chất thải phóng xạ ở mức độ thấp và ảnh hưởng của pH, nhiệt độ và nồng độ ion ban đầu đến hiệu ứng hấp phụ đã được nghiên cứu. Người ta nhận thấy rằng khi pH = 6,3, nhiệt độ 20 °C, nồng độ ban đầu là 15 mg·L−1 và thời gian hấp phụ là 24 giờ thì hiệu suất loại bỏ có thể lên tới 96,3%. Tsezos và Volesky và cộng sự đã sàng lọc một số vi sinh vật thải được tạo ra trong quá trình lên men công nghiệp để xử lý chất thải phóng xạ có chứa các ion kim loại thori và uranium. Kết quả cho thấy khi pH = 4, khả năng hấp phụ tối đa của Rhizopus đối với thorium và uranium lớn hơn 180 mg·g−1, tốc độ loại bỏ uranium lần lượt là 2,5 và 3,3 lần so với nhựa trao đổi ion và than hoạt tính. . Tốc độ loại bỏ thorium lần lượt là 20 và 2,3 lần so với nhựa trao đổi ion và than hoạt tính trong cùng điều kiện. Sự hấp thụ sinh học của các hạt nhân phóng xạ như Th, U, Sr và Cs bằng các loại chất hấp thụ sinh học khác nhau đã được báo cáo rộng rãi. Việc sử dụng công nghệ sinh học không chỉ có thể hấp thụ các hạt nhân phóng xạ mà còn làm giảm và thu hồi các ion uranyl thông qua sự can thiệp của vi khuẩn và các vi sinh vật khác. Công nghệ này cũng có thể được sử dụng cho các hạt nhân phóng xạ khác và một số kim loại quý. Tuy nhiên, tổn thương tế bào do liều bức xạ vượt quá một phạm vi cụ thể cũng cần được xem xét trong quá trình sử dụng.
Quang xúc tác
Quang xúc tác đề cập đến việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học với sự có mặt của chất xúc tác quang. Trong quá trình này, chất xúc tác quang có thể thay đổi hóa học chất phản ứng sau khi hấp thụ ánh sáng và chất xúc tác quang bị kích thích có thể tương tác với chất phản ứng nhiều lần. Các chất trung gian được tạo ra đồng thời đảm bảo không thay đổi trước và sau phản ứng. Khi năng lượng lượng tử của ánh sáng tới bằng hoặc lớn hơn băng thông bị cấm của chất bán dẫn, các electron ở dải hóa trị bị kích thích chuyển sang dải dẫn, tương ứng tạo ra các lỗ trống h+vb trong vùng hóa trị và hình thành các electron quang sinh e-CB trong vùng hóa trị dải dẫn. Các electron được quang sinh hình thành trên vùng dẫn có công suất đáng tin cậy giảm, trong khi các lỗ trống được quang sinh trên vùng hóa trị có khả năng oxy hóa rắn. Chúng có thể di chuyển đến bề mặt bán dẫn và trải qua các phản ứng oxi hóa khử tương ứng với các chất gây ô nhiễm được hấp phụ trên bề mặt. Trong chất thải phóng xạ, chất thải hữu cơ và chất thải chứa triti là hai chất thải đặc biệt. Chúng không thể được xử lý bằng cách bay hơi, cô đặc, trao đổi ion và tách màng và cần được quản lý đặc biệt. Chủ yếu bao gồm dầu thải phóng xạ, dung môi hữu cơ, chất lỏng nhấp nháy hữu cơ thải và chất lỏng khử nhiễm. Công nghệ xử lý quang xúc tác có thể được sử dụng để tham khảo trong xử lý nước thải hữu cơ trong các lĩnh vực khác. Các electron được quang sinh được tạo ra chủ yếu được vận chuyển đến bề mặt chất bán dẫn bằng cách chuyển các electron và lỗ trống theo các dạng sau. Kết hợp các electron và lỗ trống ở tạp chất hoặc khuyết tật trong chất bán dẫn, các electron tái tổ hợp và các chất gây ô nhiễm điện tử chấp nhận được (chất nhận) hấp phụ trên bề mặt chất bán dẫn trải qua phản ứng khử. Các lỗ được vận chuyển lên bề mặt để trải qua phản ứng oxy hóa với chất cho (donator). Trong quá trình quang xúc tác, điều cần thiết là phải tăng tốc độ phân tách các cặp electron-lỗ trống, giảm tốc độ tái hợp electron-lỗ trống và nâng cao hiệu quả của quá trình quang xúc tác.
Các loại quang xúc tác phổ biến (a) và cơ chế xúc tác TiO2 (b).
Từ khóa: bức xạ; chất thải phóng xạ; xử lý;
– CMD&DND –
