Термическое поведение марганцевых минералов станет ключом к созданию материалов для захоронения радиоактивного цезия
14 августа 2025 г.
Ученые впервые показали, как при нагревании меняется кристаллическая структура слоистых титаносиликатов – минералов куплетскита и цезийкуплетскита.
Оказалось, что под действием температуры в кислородной среде марганец, содержащийся в минералах, теряет электроны, а также из минералов «уходит» вода. В результате кристаллы куплетскита и цезийкуплетскита сжимаются. Полученные данные расширяют представления о физических свойствах титаносиликатов, содержащих цезий, и потенциально позволят использовать эти минералы для захоронения радиоактивного цезия. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Minerals.
Куплетскит и его цезий-содержащий аналог – цезийкуплетскит – слоистые минералы, природные титаносиликатные соединения. Они имеют пористую структуру, образованную чередующимися молекулярными слоями двух типов. Одни слои сложены из атомов марганца с примесью железа и магния, другие – из титана и кремния. В пространстве между этими слоями находятся крупные катионы – положительно заряженные ионы, например цезий.
Цезиевые минералы довольно редкие в природе, поэтому цезийкуплетскит привлекает внимание ученых как природный концентратор цезия — элемента, широко использующегося в химической промышленности, нефтедобыче, радиационных детекторах и фотонике. Помимо этого, куплетскит и цезийкуплетскит интересны как потенциальные прототипы материалов с перспективными сорбционными (поглощающими) свойствами по отношению к цезию. Радиоактивный изотоп цезия (цезий-137) – один из главных загрязнителей окружающей среды при радиационных катастрофах, поэтому исследование атомного строения подобных минералов – концентраторов цезия в области повышенных температур важно для разработки технологий перевода его в стабильную минералоподобную форму.
Ученые из Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (Петропавловск-Камчатский) с коллегами впервые описали поведение двух минералов группы куплетскита – без цезия и с этим элементом в составе – при высоких температурах. Образцы минералов нагревали до 1000 ℃ – порога, до достижения которого в большинстве минералов происходят структурные преобразования. Изменения, вызванные нагревом, исследователи регистрировали с помощью рентгеновской дифрактометрии – метода, позволяющего установить структуру образца по его способности отражать рентгеновские лучи.
Оказалось, что при нагревании до температуры 500 ℃ кристаллические структуры минералов расширялись, после чего происходило их резкое сжатие. Детальное исследование показало, что это сжатие связано с окислением – отдачей электронов – марганца, которое сопровождается потерей воды соединением. Таким образом, авторы впервые установили, что окисление марганца под воздействием температуры происходит подобно процессам, связанным с окислением железа, и сопряжено с «обезвоживанием» минерала. Учитывая широкое распространение реакций окисления железа в породообразующих минералах, – амфиболах, турмалинах, слюдах и глинах, – можно предположить подобное поведение и для их марганцевых аналогов.
По аналогии с реакциями окисления железа авторы предположили, что окисление марганца может происходить в горных породах при повышенных температурах и давлениях, хотя и в более локальном масштабе, чем для железа, из-за ограниченного распространения богатых марганцем пород. Присутствие «потерявших воду» минералов (или их разновидностей) с окисленным марганцем может также указывать на их нагрев до температуры выше 500 °C в кислородной среде.
Описанные авторами особенности не только дополнили знания о физических свойствах минералов, но и расширили представления о процессах, протекающих в них при нагревании. Подобные процессы происходят при преобразовании минералов в глубинных оболочках Земли и при их технологической обработке. Полученные данные потенциально могут использоваться в горной промышленности при добыче соединений марганца и цезия.
«Наши результаты также могут быть полезны при создании материалов, избирательно "поглощающих" цезий, в том числе при производстве керамик для захоронения радиоактивного цезия. В дальнейшем мы планируем провести обобщающие исследования по расшифровке механизмов, действующих на атомном уровне, при нагреве титаносиликатных минералов», — рассказывает руководитель проекта к.г.-м.н. Е. С. Житова, заведующая лабораторией минералогии Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН.
В исследовании участвовали сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург), Института геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН (Иркутск), Университета Манитобы (Канада) и Геологического института Кольского научного центра РАН (Апатиты).
Источник: РНФ.
Читайте также:
Метки: минералы, ИГХ СО РАН, ГИ КНЦ РАН, ИВиС ДВО РАН