Оптимизация параметров электро-Фентона для деградации анионной смолы методом поверхности отклика

Очистка ядерных сточных вод

Атомная энергетика и научные учреждения используют специальные «губки» — ионно-обменные смолы, чтобы удалять загрязнения из воды. Когда эти смолы исчерпывают ресурс, они сами становятся опасным отходом с высокой концентрацией загрязнителей. В исследовании рассматривается более быстрый и чистый способ разрушения одного распространённого типа такой смолы, превращающий её в безвредные конечные продукты и делающий обработку радиоактивных сточных вод более безопасной и эффективной.

Почему старые фильтрующие гранулы — серьёзная проблема

На атомных объектах крошечные пластиковые шарики, известные как анионные обменные смолы, захватывают нежелательные вещества из воды. Со временем они насыщаются органическими соединениями и радиоактивными элементами и требуют вывода из эксплуатации. Традиционные методы обращения — сжигание, захоронение на свалках или простая химическая нейтрализация — могут оставлять труднообрабатываемые остатки, создавать риск выброса радиации или требовать длительной обработки. Влажное окисление, использующее горячую кислородсодержащую воду для разложения смол, безопаснее, но медленнее: часто процесс занимает 8–10 часов и расходует значительную часть добавленных окислителей впустую.

Химическая очистка с электрическим усилением

Исследователи сосредоточились на продвинутом методе, называемом электро-Фентоном, который сочетает электричество с классическим химическим окислением. В реакции Фентона перекись водорода в присутствии солей железа генерирует высокореактивные гидроксильные радикалы — короткоживущие «бульдозеры», разрушающие органические молекулы. Версия с электрическим подпиткой делает эту реакцию более устойчивой и эффективной: специальный титановой электрод, покрытый диоксидом свинца, способствует генерации радикалов и регенерации активной формы железа, а сетчатый катод помогает рециркулировать железо в растворе. Команда обрабатывала реальную анионную ядерную смолу (ZG CNR170) в лабораторном реакторе с подогревом, перемешиванием и контролируемой подачей перекиси водорода.

Поиск оптимума настроек

Чтобы превратить многообещающую установку в практический инструмент, учёные систематически варьировали четыре ключевых параметра: кислотность (pH) смеси, электрический ток, дозу соли железа (FeSO₄) и скорость подачи перекиси водорода. Эффективность оценки проводили по химическому потреблению кислорода (COD) в растворе после растворения гранул — стандартной метрике остаточного органического загрязнения. Сначала меняли по одному фактору, чтобы выявить общие тенденции: умеренный ток ускорял разложение, но очень высокий ток ухудшал работу; увеличение катализатора из железа помогало лишь до определённой точки; слишком медленная подача перекиси «голодала» реакцию, тогда как её избыток вел к перерасходу и пенообразованию. Кислотность также имела значение: процесс работал лучше в сильно кислой среде, но не при самых низких значениях pH.

Использование статистики для настройки процесса

Далее команда применила статистический инструмент, известный как метод поверхности отклика, чтобы изучить взаимодействия всех четырёх параметров одновременно. Провели 30 тщательно спланированных экспериментов и построили математическую модель, предсказывающую остаточный COD через 150 минут при различных условиях. Анализ показал, что наибольшее влияние на очистку оказывает доза соли железа, затем — скорость подачи перекиси водорода, далее — pH, а ток играет более скромную, но заметную роль. Важным оказалось соотношение между железом и перекисью: недостаток любого замедляет реакцию, а избыток железа может фактически поглощать радикалы, мешая им атаковать смолу.

От гранул к безвредным молекулам

С химической точки зрения процесс заключается в отрыве функциональных групп от структуры смолы и последующем расчленении её каркаса на всё более мелкие фрагменты. Агрессивные радикалы атакуют азотсодержащие группы на поверхности смолы, затем продолжают разрушать оставшийся пластиковый скелет до маленьких органических кислот, спиртов и, в конечном счёте, до углекислого газа и воды. При оптимизированных условиях — примерно pH 1.5, ток 7 ампер, тщательно подобранная доза железа и устойчивый поток перекиси водорода — смола полностью растворялась в течение 150 минут, а остаточный COD в растворе снижался до уровней, указывающих на почти полное разрушение органического вещества.

Что это значит для обращения с ядерными отходами

Для неспециалистов ключевая мысль такова: исследование демонстрирует более быстрый и эффективный способ «химического сжигания» использованных ядерных фильтрующих гранул в воде без открытого огня или экстремальных условий. При аккуратном балансировании кислотности, электрической энергии, железного катализатора и перекиси водорода электро-Фентон может безопасно превращать эти стойкие отходы в простые, нетоксичные молекулы примерно за два с половиной часа. Это даёт перспективный путь к более чистой и экономичной обработке радиоактивных сточных вод, а разработанная статистическая модель поможет инженерам проектировать установки промышленного масштаба, минимизирующие расход химикатов, энергию и образование вторичных отходов.

Цитирование: Xiang, Q., Hailong, X., Xiliang, G. et al. Optimization of parameters for electro Fenton degradation of anion resin by response surface methodology. Sci Rep 16, 6633 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37155-0

Ключевые слова: электро-Фентон, радиоактивные сточные воды, ионно-обменная смола, продвинутая окислительная обработка, оптимизация утилизации отходов