Сорбция радионуклидов на полимерных материалах

К полимерным материалам относят лакокрасочные и полимерные защитные покрытия. Физико-химические и механические свойства этих материалов существенно отличаются от свойств металлов. Полимерные материалы обладают меньшей плотностью, твердостью, механической прочностью; некоторые полимеры набухают во влажном воздухе и в воде, набухание ведет к увеличению объема, проницаемости и поглотительной способности полимера по отношению к газам, жидкостям и ионам. Способность к набуханию зависит от степени гидратации функциональных групп и от числа поперечных связей («сшивки»). При наличии в составе материала гидрофильных групп усиливаются диффузия молекул воды в полимере и его набухание. Чем выше поперечная связанность полимера, тем ниже степень набухания. При набухании полимер изменяет свою струи туру, механические напряжения, возникающие при этом, могут при вести к нарушению целостности полимера.

На полимерах возможна физическая сорбция, но наиболее характерна для них химическая, ионообменная и молекулярная, сорбция. Молекулярная хемосорбция на инертных полимерах обусловлен структурными неоднородностями поверхности и может быть описана изотермой Фрейндлиха. Ионообменная сорбция связана с наличием в полимере реакциоиноспособных групп (карбоксильных, гидроксильных, аминных), вступающих в обменные взаимодействия. Ионообменная емкость полимеров невысока, но достаточна для удерживании радиоактивных загрязнений. Высокое сродство ионов поливалентных металлов к карбоксильным группам является причиной удерживания соответствующих радионуклидов на поверхности и отсутствия проникновения их по микропорам в глубь материала.

В кислых средах и растворах электролитов диссоциация поверхностных групп подавляется, а набухание полимера облегчает диффузию ионов в глубь сорбента к месту обмена и вытесненного иона и поверхности. Обычно коэффициенты диффузии в полимерах не превышают 10^-6 - 10^-5 см²/с, но коэффициенты проницаемости, характеризующие перемещение сорбируемого иона внутри сорбента и зависящие от степени набухания полимера, колеблются в широких пределах.

Набухший полимер можно рассматривать как «гелевый сольвент». Вещество может распределяться между водным раствором и набухшим полимером, как при экстракции органическим растворителем. Переходу катионов в «гелевый сольвент» способствует кислая среда или высокая концентрация солей («высаливание»). Применение пигментов, наполнителей и т. п. в полимерных композициях часто разрыхляет их структуру и способствует более глубокому проникновению радионуклидов. Некоторые вулканизирующие агенты, пластификаторы и др. способны к комплексообразованию с катионами ряда металлов, что также способствует экстракции и проникновению радиоактивных веществ в полимерные покрытия. Таким образом, для обеспечения защитных функций полимерные покрытия должны содержать компонентов, способных к комплексообразованию и ионообменным взаимодействиям.