Wysokie stężenia izotopu cezu 137Cs występuje głównie tam, gdzie doszło do katastrof elektrowni atomowych. Tak było np. w Fukushimie i przyniosło poważne konsekwencje.

– Japonia jest krajem wyspiarskim, więc problem był większy niż w Czarnobylu – toksyczny cez przedostał się do wody, w tym do wód gruntowych, na tereny, na których uprawiany jest ryż – mówi dr inż. Artur Kasprzak. –  Nie możemy także zapomnieć o występowaniu prądów morskich i o wpływie tego radioaktywnego pierwiastka na ryby.

Co więcej, należy pamiętać, że jeśli izotop cezu już dostanie się do środowiska, będzie w nim występował przez minimum 30 lat.

Problem z cezem dotyczy jednak nie tylko miejsc katastrof, a całego świata, bo pierwiastek (pod różnymi postaciami) wykorzystuje się m.in. w leczeniu nowotworów, przemyśle farmaceutycznym, a nawet w suplementach diety.

W poszukiwaniu praktycznego zastosowania

Naukowcy zaczęli szukać sposobów usuwania soli cezu z roztworów wodnych. Tu pojawiły się dwie główne trudności – niska selektywność opracowanych rozwiązań (usuwają nie tylko cez, ale też pożądane pierwiastki, takie jak potas i magnez) oraz wysokie koszty utylizacji.

Dr Kasprzak opracował nowy materiał – składający się z magnetycznych nanocząstek węglowych z rdzeniem kobaltowym modyfikowanych sumanenem.

– Sumanenem zainteresowałem się w 2019 roku podczas stażu naukowego w Osaka University w Japonii, gdy pracowałem w zespole prof. Hidehiro Sakurai – to on w 2003 roku odkrył ten związek – opowiada dr Kasprzak. – Zwróciłem uwagę, że większość badań prowadzonych nad sumanenem to głównie badania strukturalne i syntetyczne. Brakowało w nich informacji o praktycznym wykorzystaniu. Udało mi się jedynie znaleźć wzmiankę, że sumanen w sposób selektywny oddziałuje z kationami cezu.

To był początek dalszych badań.

To działa!

Dr Kasprzak postanowił praktycznie wykorzystać to działanie sumanenu, opracowując magnetyczny nanoadsorbent cezu.

– Materiał absorbujący cez wsypuje się do zanieczyszczonej wody – mówi naukowiec z PW. –  Jego właściwości magnetyczne pozwalają na szybkie, łatwe i dokładne oddzielenie materiału od roztworu. Jeśli wrzucimy do zanieczyszczonej wody materiał bez tych właściwości, musimy oddzielić go w inny sposób, chociażby poprzez odsączanie lub wirowanie. W kuchni jest to proste, ale w przemyśle już nie. Właściwości magnetyczne ułatwiają cały proces. Wystarczy, że przyłoży się magnes do fiolki i materiał oddziela się od roztworu, a wraz z nim cez.

We współpracy z zespołem prof. Hidehiro Sakurai z Japonii dr Kasprzak przeprowadził badania sprawdzające skuteczność swojego rozwiązania. Jednoznacznie stwierdził, że pozwala ono usunąć cez z roztworu, a testy z wykorzystaniem sodu i potasu jako „przeszkadzaczy” (interferentów) potwierdziły selektywność metody.

Pomyślnie wypadły również próby z zawierającymi sól cezu ściekami wodnymi, powstającymi w trakcie prac nad prekursorem leku przeciwnowotworowego i w przypadku ścieków generowanych w rutynowych syntezach organicznych. Badania potwierdziły ponadto, że wytworzony materiał może być wykorzystywany wielokrotnie, ma dużą pojemność adsorpcyjną i można go łatwo regenerować – wystarczy trochę wody. To zmniejsza objętość ścieku zawierające cez i pozwala obniżyć koszty związane z przechowywaniem czy utylizacją odpadów.

Projekt „Magnetyczne nanoadsorbenty zawierające sumanen do selektywnego i efektywnego usuwania soli cezu z roztworów wodnych lub organicznych” jest finansowany w ramach realizowanego na Politechnice Warszawskiej programu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”. Pomysł otrzymał wsparcie w konkursie Centrum Badawczego POB Technologie materiałowe.