(Phys.org)—Grafenoxid har en anmärkningsvärd förmåga att snabbt avlägsna radioaktivt material från förorenat vatten, forskare vid Rice University och Lomonosov Moscow State University har hittat.

Ett samarbete mellan kemisten James Tours Rice-lab och kemisten Stepan Kalmykovs i Moskva-labbet fastställde att mikroskopisk, Atomtjocka flingor av grafenoxid binder snabbt till naturliga och mänskligt framställda radionuklider och kondenserar dem till fasta ämnen. Flingorna är lösliga i vätskor och tillverkas lätt i bulk.

De experimentella resultaten rapporterades i tidskriften Royal Society of Chemistry Fysikalisk kemi Kemisk fysik .

Upptäckten, Tour sa, kan vara en välsignelse i saneringen av förorenade platser som kärnkraftverken i Fukushima som skadades av jordbävningen och tsunamin 2011. Det skulle också kunna minska kostnaderna för hydraulisk sprickning ("fracking") för olje- och gasutvinning och hjälpa till att starta om amerikansk gruvdrift av sällsynta jordartsmetaller, han sa.

Grafenoxids stora yta definierar dess förmåga att adsorbera toxiner, sa Kalmykov. "Så de höga retentionsegenskaperna är inte förvånande för oss, " sa han. "Det som är häpnadsväckande är den mycket snabba kinetiken för sorption, vilket är nyckeln."

"I den probabilistiska värld av kemiska reaktioner där knappa saker (låga koncentrationer) sällan stöter på något som det kan reagera med, det är större sannolikhet att "magin" kommer att hända med grafenoxid än med en stor gammal bit av bentonit, sa Steven Winston, en tidigare vicepresident för Lockheed Martin och Parsons Engineering och en expert på kärnkraft och sanering som arbetar med forskarna. "Kortfattat, snabbt är bra."

Att bestämma hur snabbt var föremålet för experiment av Kalmykov-gruppen. Laboratoriet testade grafenoxid syntetiserad vid Rice med simulerat kärnavfall innehållande uran, plutonium och ämnen som natrium och kalcium som kan påverka deras adsorption negativt. Ändå, grafenoxid visade sig vara mycket bättre än bentonitleror och granulerat aktivt kol som vanligtvis används vid kärnsanering.

Grafenoxid införd i simulerat avfall som koagulerade inom några minuter, snabbt klumpar ihop de värsta gifterna, sa Kalmykov. Processen fungerade över en rad pH-värden.

"Att se Stepans förvåning över hur bra detta fungerade var en bra bekräftelse, " sa Tour. Han noterade att samarbetet slog rot när Alexander Slesarev, en doktorand i sin grupp, och Anna Yu. Romanchuk, en doktorand i Kalmykovs grupp, träffades på en konferens för flera år sedan.

Forskarna fokuserade på att ta bort radioaktiva isotoper av aktinider och lantanider – de 30 sällsynta jordartsmetallerna i det periodiska systemet – från vätskor, snarare än fasta ämnen eller gaser. "Även om de egentligen inte gillar vatten så mycket, de kan och gömmer sig där ute, ", sa Winston. "Ur människors hälsa och miljösynpunkt, det är där de är minst välkomna."

Naturligt förekommande radionuklider är också ovälkomna i frackningsvätskor som för dem till ytan vid borrning, sa Tour. "När grundvatten kommer ut ur en brunn och det är radioaktivt över en viss nivå, de kan inte sätta tillbaka den i marken, " sa han. "Det är för varmt. Företag måste frakta förorenat vatten till förvarsplatser runt om i landet till mycket stora kostnader." Möjligheten att snabbt filtrera bort föroreningar på plats skulle spara mycket pengar, han sa.

Han ser ännu större potentiella fördelar för gruvindustrin. Miljökrav har "i huvudsak stängt ned USA:s gruvdrift av sällsynta jordartsmetaller, som behövs för mobiltelefoner, " Tour sa. "Kina äger marknaden eftersom de inte är föremål för samma miljöstandarder. Så om den här tekniken erbjuder chansen att återuppliva gruvdrift här, det kan bli enormt."

Tour sa att fånga radionuklider inte gör dem mindre radioaktiva, bara lättare att hantera. "Där du har stora pooler av radioaktivt material, som i Fukushima, du lägger till grafenoxid och får tillbaka ett fast material från det som bara var joner i en lösning, " sa han. "Då kan du skumma av det och bränna det. Grafenoxid brinner väldigt snabbt och lämnar en kaka av radioaktivt material som du sedan kan återanvända."

Den låga kostnaden och de biologiskt nedbrytbara egenskaperna hos grafenoxid bör göra den lämplig för användning i permeabla reaktiva barriärer, en ganska ny teknik för in situ grundvattensanering, han sa.