Xử lý chất thải hạt nhân bằng khung kim loại hữu cơ

Một trong các họ vật liệu có thể ứng dụng linh hoạt và rộng rãi đang được nghiên cứu hiện nay là khung kim loại hữu cơ (metal organic framework-MOF). Những vật liệu này được đặc trưng bởi các ion kim loại hay các cụm kim loại-ion liên kết với nhau thông qua các phân tử hữu cơ, tạo thành các cấu trúc tinh thể có trật tự và chứa các lỗ rỗng cực nhỏ với đường kính tối đa là hai nanomet.

MOF có thể được coi như những chiếc sàng có độ tùy chỉnh và chuyên biệt hóa cao. Bằng cách thiết kế chúng với các lỗ rỗng có kích thước, hình dạng và thành phần hóa học nhất định, các nhà nghiên cứu có thể tùy chỉnh chúng cho các mục đích cụ thể. Một vài trong số rất nhiều ứng dụng của MOF là tích trữ hydro trong pin nhiên liệu, thu giữ chất gây ô nhiễm môi trường hay chứa tạm thời các chất xúc tác cho các phản ứng hóa học.

Mới đây, nhà vật lý Sanjit Ghose và các cộng sự tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven đã tạo ra MOF có thể tách chất thải của các lò phản ứng hạt nhân trong quá trình tái chế thanh nhiên liệu hạt nhân. Ông nhắm mục tiêu vào hai sản phẩm chất thải đặc biệt là khí trơ xenon (Xe) và krypton (Kr).

Việc tách Xe và Kr từ dòng chất thải hạt nhân đem lại một số lợi ích kinh tế và môi trường nhất định. Một trong những lợi ích đó là hai loại khí này có chu kỳ bán dã rất khác nhau (chu kỳ bán dã của Xe khoảng 36 ngày và Kr là gần 11 năm) do đó việc tách Xe làm giảm đáng kể lượng chất thải cần phải cất giữ dài hạn cho đến khi an toàn để xử lý. Ngoài ra, Xe được chiết xuất có thể được sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp, chẳng hạn như chiếu sáng thương mại và làm chất gây mê. Nghiên cứu này cũng có thể giúp các nhà khoa học tìm được cách chế tạo MOF có khả năng loại bỏ các vật liệu khác ra khỏi dòng chất thải hạt nhân và tái sử dụng phần nhiên liệu hạt nhân chưa phản ứng. Điều này có thể làm giảm đáng kể chất thải hạt nhân cần phải cất giữ dài hạn và đưa đến một hệ thống sản xuất năng lượng hạt nhân hiệu quả hơn.

Do Xe và Kr là các khí trơ, có nghĩa là chúng không liên kết với các nguyên tử khác, nên chúng rất khó để thao tác. Hiện nay, phương pháp chiết xuất chúng từ dòng chất thải hạt nhân là chưng cất đông lạnh, một quá trình tiêu tốn năng lượng và tốn kém. MOF do nhóm nghiên cứu chế tạo có thể chiết xuất Xe và Kr dựa trên một phương pháp tiếp cận rất khác đó là phân cực các nguyên tử khí bằng động lực. Cơ chế này không những hoạt động ở nhiệt độ phòng mà còn ở nhiệt độ cao hơn, đó là yếu tố then chốt để MOF có thể được sử dụng trong môi trường hạt nhân.

Hai loại MOF có khả năng hấp thụ Xe và Kr và tách Xe ra khỏi Kr mà nhóm nghiên cứu chế tạo gồm:

MOF chứa niken

MOF chứa niken và hợp chất hữu cơ dioxido-benzen-dicarboxylate (DOBC), do đó được gọi là Ni-DOBDC. Ni-DOBDC không những có thể hấp thụ cả Xe và Kr ở nhiệt độ phòng mà còn có tính chọn lọc cao đối với Xe. Trong thực tế, MOF chứa Ni-DOBDC có khả năng hấp thụ Xe cao nhất cho đến nay.

Khả năng phân tách cao của Ni-DOBDC cho thấy nó có tiềm năng lớn để tách Xe ra khỏi Kr trong dòng khí thải trong quá trình tái chế nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng, cũng như lọc Xe ở nồng độ thấp từ các hỗn hợp khí khác.

Stony Brook MOF-2

Stony Brook MOF-2 (SBMOF-2) cũng hấp thu cả Xe và Kr ở áp suất và nhiệt độ phòng, mặc dù hiệu quả gấp 10 lần đối với Xe. SBMOF-2 được dự đoán về mặt lý thuyết là một vật liệu hấp thụ Xe và Kr hiệu quả nhưng trước nghiên cứu này, không có nghiên cứu nào chứng minh được dự đoán này.

Trong các nghiên cứu tiếp theo, Ghose và các đồng nghiệp sẽ sử dụng những kết quả này để cải thiện khả năng hấp thụ của MOF cũng như xác định hiệu suất của MOF mà họ mới phát triển.

Theo Vista.gov.vn