Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В отчетном периоде выполнены следующие работы по получению лютеций-алюмосиликатных микросфер на основе ценосфер: 1. Получены две лабораторные партии ценосфер с содержанием стеклофазы 95,4 и 96 мас. % и (SiO2/Al2O3)мас. 3.1 и 3.5, различающихся размером фракции и плотностью. 2. Проведено модифицирование ценосфер методами кислотного травления с формированием перфорированных и неперфорированных глобул с макропористой и мезо/макропористой структурой, а также функционализации поверхности пористых микросфер путем нанесения сорбционно-активных покрытий на основе органических соединений с высокой связывающей способностью в отношении катионов лантаноидов. Наработаны лабораторные партии пористых и функционализированных микросфер. 3. Изучена возможность создания сорбционно-активных покрытий на поверхности глобул ценосфер путем синтеза цеолитных структур в системе NaOH-H2O-(SiO2-Al2O3)стекло, где (SiO2-Al2O3)стекло – ценосферы. Наработаны лабораторные партии цеолитизированных микросфер на основе цеолитов двух структурных типов – NaX (FAU) и NaP1 (GIS). 4. Изучена возможность концентрирования Lu(III) в порах стекломатрицы путем импрегнирования пористых ценосфер растворами соли лютеция, а также специфического связывания с сорбционно-активными функциональными группами с получением Lu-содержащих микросфер. 5. Изучены сорбционные свойства цеолитизированных микросфер в отношении катионов Lu(III) и получены лабораторные партии цеолитных прекурсоров в Lu-форме - (Lu,Na)X- и (Lu,Na)Р1-микросферы. 6. Методом синхронного термического анализа изучено термохимическое поведение цеолитизированных микросфер, в том числе в Lu-форме, с целью определения температуры твердофазной кристаллизации цеолитного прекурсора и перевода сорбированных форм лютеция в малорастворимые формы. 7. Проведено тестирование двух режимов термической обработки прекурсоров, а именно, (1) долговременный прогрев при 1000 °С в стационарном слое и (2) кратковременное нагревание при 1200 °С в движущемся слое с резким охлаждением, и наработаны лабораторные партии продуктов термообработки. 8. Изучены фазовый состав, морфология, микроструктура, текстура и/или элементный состав прекурсоров и конечных продуктов модификации ценосфер методами сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии, порошкового рентгенофазового анализа, низкотемпературной адсорбции азота. 9. Проведены испытания химической устойчивости микросфер с различными капсулированными формами лютеция в физиологическом растворе (0,9% NaCl), имитирующем состав крови, путем определения скорости выщелачивания лютеция по методике ГОСТ Р 52126-2003, который устанавливает метод определения химической устойчивости отвержденных радиоактивных отходов и их имитаторов посредством выщелачивания радионуклидов и макрокомпонентов при длительном контакте с водой и водными растворами. В результате выполненных работ для получения Lu-алюмосиликатных микросфер показана перспективность реализации методологии, включающей (1) формирование сорбционно-активного покрытия на поверхности глобул ценосфер путем синтеза цеолитных структур в системе NaOH-H2O-(SiO2-Al2O3)стекло, (2) последующего сорбционного концентрирования Lu(III) в структуре цеолитного компонента за счет ионного обмена 3Na+ Lu3+ и (3) перевода сорбированных форм лютеция в малорастворимые формы в процессе фазового превращения при термическом воздействии. Получены цеолитные прекурсоры на основе цеолитов двух структурных типов – NaX (FAU) и NaP1 (GIS). Наиболее высокие степени включения Lu в стекломатрицу (до 15 мол. % в расчете на Lu2O3) и однородность его распределения в поверхностном слое оболочки микросфер достигаются в случае создания на поверхности микросфер цеолитного покрытия на основе цеолита NaP1 с топологией каркаса типа гисмондин. В зависимости от условий термической обработки лютеций в конечном продукте находится в одной из двух форм: кристаллической фазы пиросиликата лютеция Lu2Si2O7 (монокл., пр. гр. С2/m, Z=2) или аморфном состоянии. Долговременный прогрев цеолитных прекурсоров при оптимальной температуре твердофазной кристаллизации (1000 °С) ведет к формированию фазы пиросиликата лютеция с локализацией в макропорах оболочки и сохранением рельефности поликристаллической поверхности цеолитизированных микросфер. В свою очередь, кратковременная термическая обработка цеолитизированных микросфер в Lu3+-форме вблизи температуры размягчения стеклокристаллического материала (1200 °С) с быстрым охлаждением ведет к капсулированию лютеция в приповерхностном слое оболочки микросфер и внутренним объеме в аморфной форме и способствует повышению механической прочности микросфер за счет увеличения толщины оболочки. В результате испытаний растворимости микросфер c различными формами лютеция в физиологическом растворе (0,9% NaCl), имитирующем состав крови, установлено, что микросферы как с кристаллической, так и аморфной формами лютеция характеризуются низкой скоростью выщелачивания лютеция (Rn не выше 3*10-7 г/см2/сут) на протяжении всего периода испытаний. Микросферы с аморфной формой лютеция, полученные быстрым нагревом-охлаждением, проявляют в физиологическом растворе более высокую химическую устойчивость (Rn=10(-8)-10(-9) г/см2*сут), что в сочетании с повышенной механической прочностью продуктов такой термообработки позволяет прогнозировать перспективность данного направления исследований для более детальной проработки условий получения лютеций-алюмосиликатных микросфер с требуемыми параметрами.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проведена наработка двух лабораторных партий немагнитных ценосфер стабилизированного состава с использованием полупродуктов фракционирования концентратов ценосфер (с заявленным размером глобул до 50 мкм), выделенных из летучих зол от сжигания каменных углей Подмосковного и Экибастузского бассейнов (ООО «Инотек Аква», Россия). Гранулометрический и морфологический состав ценосфер обеих партий охарактеризованы методом оптической спектроскопии с использованием программы “Msphere”. Из партии с наибольшим выходом глобул размером менее 50 мкм выделена и охарактеризована морфологически однородная узкая фракция ценосфер размером -40+20 мкм с кажущейся плотностью менее 1 г/см3, толщиной оболочки 1,8 мкм с содержанием стеклофазы около 90 мас. % и железа 3,0 мас. % Fe2O3 (2,1 мас. % Fe). В качестве источника лютеция использовали Lu(NO3)34H2O с содержанием основного вещества более 99,9 % и природным содержанием двух изотопов лютеция (97,4% Lu-175+2,6% Lu-176), а в качестве источника иттрия использовали Y(NO3)36H2O с содержанием основного вещества более 99 % и 100 %-ым содержанием изотопа Y-89. Проведена химическая модификация полученной узкой фракции ценосфер двумя способами с целью создания в оболочке глобул пористой структуры, сорбционно-активной в отношении катионов лютеция и иттрия, включая (1) гидротермальное превращение стеклофазы оболочки в цеолит NaP1 структурного типа гисмондин и (2) кислотное травление 6М соляной кислотой. Модифицированные ценосферы насыщали катионами лютеция и иттрия в равновесных условиях сорбции и подвергали термической обработке при температуре фазового превращения цеолитa/стеклофазы (900-1000 °С) или вблизи температуры размягчения цеолитизированной/пористой оболочки глобул (1100-1200 °C) в режиме быстрого нагрева-охлаждения. В результате реализации первого способа установлено, что продукты цеолитизации во всем интервале параметров гидротермального синтеза (температура, концентрация щелочи, время синтеза) представляют собой преимущественно агломераты частично разрушенных глобул с раскристаллизованной цеолитной оболочкой, а доля микросферических продуктов на основе единичных глобул, представляющих интерес как целевой продукт, крайне мала. В процессе сорбционного насыщения продуктов цеолитизации катионами Lu(3+) и Y(3+) протекает частичное отслоение цеолитной оболочки от непрореагировавшей стеклофазы и распад агломератов до отдельных глобул с содержанием Lu(3+)/Y(3+) 2-4 мас. %. Высокотемпературная обработка Lu/Y-форм цеолитизированных микросфер при 1100-1200 °С в режиме быстрого нагрева приводит к размягчению поверхностного Lu/Y-содержащего цеолитного слоя с последующим прочным закреплением на поверхности глобул при резком охлаждении. Вместе с тем, из-за «островного» характера распределения Lu(3+)/Y(3+), формирующего рельефность поверхности глобул, полученные микросферы не отвечают требованию гладкой (нетравмирующей) поверхности. В результате реализации второго способа получены Lu/Y-алюмосиликатные микросферы размером -40+20 мкм с содержанием Lu/Y менее 1 мас. %, характеризующиеся низкой скоростью выщелачивания Lu/Y (менее 10-7 г/см2сут) в имитаторе крови на основе 0,9% NaCl. В случае Lu-микросфер, содержащих 0,16 мас. % Lu, их последующее облучение тепловыми нейтронами за счет превращения Lu-176 Lu-177 обеспечивает удельную активность излучения порядка 4,5 ГБк/100 мг микросфер. В случае Y-микросфер для достижения требуемой терапевтической дозы облучения (1-10 ГБк/100 мг микросфер) необходима концентрация иттрия в микросферах более 5 мас. %. С учетом радиационно-физических свойств лютеция и иттрия, а также методических особенностей внедрения этих элементов в стекломатрицу ценосфер предложенный подход наиболее перспективен для получения Lu-микросфер. https://ksc.krasn.ru/news/zolnye_otkhody/ https://icct.ru/about/news/zolnye-otkhody-ugolnoy-energetiki-mogut-stat-materialom-dlya-terapii-onkologicheskikh-zabolevaniy/ https://www.sbras.info/news/zolnye-otkhody-ugolnoy-energetiki-mogut-stat-materialom-dlya-terapii-onkologicheskikh https://tele4n.net/ne-vyletiat-v-tryby-othodam-ygolnoi-energetiki-naideno-poleznoe-primenenie.html