Первые сведения о природе коллоида можно получить на основе величины ПР труднорастворимых соединений: определить область, в которой микрокомпонент может давать самостоятельную фазу и сравнить с результатами опытов. Если коллоиды образуются до достижения ПР, то они являются псевдорадиоколлоидами, если для появления коллоидных свойств необходимо превышение ПР – это истинные коллоиды.

Для решения вопроса о формах состояния радионуклидов применяют комплексный подход, сочетающий термодинамический расчет форм состояния микрокомпонентов в растворе, растворимости труднорастворимых соединений с учетом процессов комплексообразования, и экспериментальные методы исследования форм состояния радионуклидов в водных растворах:

−методы межфазного распределения (соосаждение, сокристаллизация, сорбция, экстракция);

−электрохимические методы (электролиз, электрофорез, электродиализ);

−коллоидно-химические методы (центрифугирование и

ультрацентрифугирование, фильтрация и ультрафильтрация, диализ, радиография).

В целом, адекватную картину можно получить только в сочетании расчетных и экспериментальных методов, в результате одновременного изучения его адсорбционных и коллоидных свойств, а подбор используемых методов определяется их не только доступностью и индивидуальными свойствам и особенностями физико-химического поведения изучаемого радионуклида.

Лабораторная работа 6.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТОЯНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ В РАСТВОРЕ МЕТОДОМ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ

1. Ультрафильтрация как экспериментальный метод определения форм состояния радионуклидов в водных растворах

Метод ультрафильтрации позволяет непосредственно установить наличие в растворе частиц коллоидных размеров. Разделение ионной и коллоидной фракций происходит путем

85

пропускания раствора через ультрафильтры, обладающие различным диаметром пор. При этом коллоидные частицы размером, превышающим размер пор, задерживаются ультрафильтром.

В качестве ультрафильтров могут быть использованы мембраны, имеющие различный диаметр пор. В зависимости от размера пор для фильтрования применяют вакуум или проводят фильтрование под давлением. Доля коллоидной формы может быть вычислена по формуле:

где Ауд.фт и Ауд.о (Iфт и I0) – удельная активность (скорость счета) фильтрата и раствора соответственно. Размер коллоидных частиц определяется размером пор фильтра. На рис.6.1 приведены данные по распределению коллоидных частиц циркония по размерам в зависимости от рН, полученные методом ультрафильтрации через ядерные фильтры производства ОИЯИ (г.Дубна) с размером пор 0,1; 0,5; 1,1 мкм. Несмотря на ряд преимуществ метода ультрафильтрации основным затруднением в его применении является влияние адсорбции на фильтре и материале фильтрующей установки, которое иногда очень трудно учесть или исключить. Экспериментальное исследование форм состояния радионуклидов методом ультрафильтрации обычно проводят в зависимости от рН и состава раствора, концентрации радионуклида, времени выдержки растворов и т.п., выбирая факторы после предварительного анализа системы.

Рис.6.1 Распределение коллоидов циркония по размерам

86

Например, торию и иттрию свойственны процессы гидролиза с образованием трудно растворимых соединений. Для них необходимо учитывать возможность образования как псевдоколлоидов, так и истинных коллоидов. Поэтому необходимо проводить определение доли коллоидов не только в зависимости от рН, но и концентрации исследуемого компонента. Основной причиной образования псевдоколлоидов во многих природных и техногенных системах является присутствие в составе растворов сильно гидролизующихся элементов, концентрация которых достаточна для образования истинных коллоидов. Например, в природных водах может быть повышенное содержание железа. Железо (III) способно образовывать истинные коллоиды при значениях рН, свойственных природным водам. Это может обусловливать образование псевдоколлоидов и особенности физико-химического поведения радионуклидов, присутствующих в природных водах.

2. Порядок выполнения работы

Для исследования могут быть предложены различные системы, содержащие естественные и искусственные радионуклиды: уран, торий, 137Cs, 90Sr, 90Y . Исследуемым раствором является пресная вода или растворы с различным солесодержанием. В качестве основных компонентов, обусловливающих образование псевдоколлоидов перечисленных радионуклидов, может быть железо, цирконий и т.п. Основными факторами, которые влияют на образование истинных и псевдоколлоидов в большинстве систем, являются рН раствора и концентрация компонентов.

Данная лабораторная работа имеет исследовательский характер, поэтому конкретные условия выполнения работы и измерений обсуждаются с преподавателем. Далее, в качестве примера, приведены лишь общие рекомендации по определению доли коллоидов исследуемого компонента в зависимости от рН.

1.Отбирают пробу 0,5 мл раствора, содержащего исследуемый радионуклид, для определения скорости счета исходного раствора I0.

2.В 6–10 стаканов отбирают по 5–10 мл исследуемого раствора. В каждом из стаканов устанавливают заданное значение рН

вдиапазоне 2–12, добавляя минимальные (чтобы не изменить общий

87

объем) объемы растворов HCl или NaOH.

3.Подготовленные растворы выдерживают 15–30 минут. В каждом растворе измеряют установившееся значение рН.

4.Пробы фильтруют под вакуумом через ядерный фильтр с известным разметом пор. Отбирают пробу фильтрата 0,5 мл для

определения Iфт. Пробы сушат и измеряют в соответствии с методикой измерения исследуемого радионуклида. Проводят измерение фона Iф

5.По результатам измерений рассчитывают αк, результаты заносят в таблицу 6.1 и строят график в координатах «αк – рН».

6. Анализируют полученную зависимость и делают выводы об образовании коллоидов исследуемого радионуклида. Привлекая данные о химических свойствах изучаемого радионуклида, концентрации и состава исследуемого раствора высказывают предположение о виде коллоидов.

3.Вопросы для самоконтроля

1.Какие формы состояния радионуклидов вы знаете? Что такое истинно-растворенные формы и коллоидные формы?

2.Условия образования истинных и псевдоколлоидов.

3.Расчетные и экспериментальные методы анализа природы коллоидов.

88