Radiation-Induced Processes in Commercially Available Samples of Activated Carbon Under the Influence of Gamma- and Beta-Radioactivity

Abstract

Комерційні зразки активованого карбону пропонують для очищення водних розчинів від органічних забрудників, барвників, йонів важких металів і радіонуклідів. Тому дослідження радіаційно-індукованих процесів у зразках комерційного активованого вугілля під впливом гамма- та бета-радіоактивності є актуальними. Метою даної роботи є дослідження радіаційно-індукованих процесів в комерційно доступному активованому вугіллі за допомогою раманівської спектрометрії та вивчення впливу радіації на адсорбційні властивості активованого вугілля. Досліджувані зразки активованого вугілля були опромінені лінійним прискорювачем Halcyon Varian і джерелом 90Sr90Y Sirius в атмосфері повітря, а також при наявності розчинів, що контактують з поверхнею адсорбенту. Було вивчено спектр комбінаційного розсіювання світла та адсорбційні характеристики опроміненого та неопроміненого вуглецю щодо молекул Na-EDTA. Раманівську спектроскопію опромінених та неопромінених зразків активованого вуглецю виконано в Центрі колективного користування науковим обладнанням «Лабораторія експериментальної та прикладної фізики» Ужгородського національного університету. Раманівські спектри розшифровували за допомогою програмного застосунку fityk-1.3.1-setup.exe. Показано, що опромінення зразків активованого карбону бета- і гамма-радіоактивністю в атмосфері повітря не впливає на адсорбційну здатність активованого вугілля. Максимальна адсорбція молекул Na-EDTA неопромінюваним активованим вугіллям досягає 800 мг/г. При опроміненні активованого вугілля в присутності молекул води на поверхні АС утворюються групи –С–О–С–, ароматичні кільця і димери карбонових кислот, які зумовлюють утворення максимумів близько 810 см – 1, 990-1100 см – 1 і 910-960 см – 1 в раманівському спектрі зразків активованого вугілля. Апроксимація спектра за допомогою програми fityk-1.3.1-setup.exe показує, що в цих перетвореннях поверхні активованого вугілля беруть участь в основному sp3-гібридизовані атоми. Опромінення активованого вугілля таким способом навіть при дозі близько 80 Грей негативно позначається на адсорбційної здатності, значно зменшуючи її. Однак цей ефект потребує подальших досліджень.

Commercially available adsorbents, based on activated carbon, are often used to purify water solutions from organic pollutants, dyes, heavy metal ions, and radionuclides. Therefore, the investigations of radiation-induced processes in carbon adsorbents are relevant. This work investigates the effect of gamma- and beta-radiation on activated carbon's structure and adsorption properties. The commercially available activated carbon samples were irradiated by a linear accelerator, Halsyon Varian, and a 90Sr-90Y source, Sirius, in the air atmosphere and acidic and neutral water solutions. The adsorption characteristics of irradiated and non-irradiated carbon toward Na-EDTA molecules were studied. The Raman spectrometry was used to control the radiation-induced change in the carbon structure. The Raman spectra were fitted using fityk1.3.1-setup.exe software. The maximum adsorption of Na-EDTA molecules by non-irradiated AC reaches 800 mg/g. Irradiation with beta- and gamma radioactivity in the air atmosphere does not affect the adsorption capacity of activated carbon, which is also capable of adsorbing the Na-EDTA complex with strontium ions. During irradiation of AC in the presence of water molecules on the surface, the –C–O–C– groups, aromatic rings, and carboxylic acid dimers form on the surface of AC, which lead to maxima of about 810 cm – 1, 990– 1100 cm – 1, and 910–960 cm – 1 on the Raman spectrum of AC. Fitting spectrum using program fityk-1.3.1- setup.exe shows that these transformations of the activated carbon surface involve mainly sp3-hybridized atoms. Irradiation of activated carbon in this way negatively affects the adsorption capacity. However, this effect requires further research.