Nghiên cứu tổng hợp vật liệu đa nhóm chức Polyvinyl Alcohol -g- Acrylic acid -co- Cacboxymethyl Cellulose bằng kỹ thuật bức xạ
Ngày nay, sự phát triển của công nghệ hạt nhân mang nhiều lợi ích to lớn cho cuộc sống hàng ngày của con người về các lĩnh vực như: năng lượng, y tế, môi trường... Song song với nguồn lợi to lớn đó là các vấn đề cần quan tâm về mức độ nhiễm bẩn phóng xạ nguy hiểm sinh ra từ quá trình hoạt động sản xuất (Điện hạt nhân, đồng vị phóng xạ...). Các sản phẩm phân hạch này theo thời gian lắng đọng dần trên máy móc, thiết bị, vật dụng và gây nhiễm bẩn. Các chất phóng xạ ở dạng hạt rất bé bám dính trên tất cả các bề mặt của các hệ thống và việc tiếp cận chúng là rất nguy hiểm vì liều lượng phóng xạ phát ra từ chúng là rất cao. Không những thế, đối với các thiết bị sử dụng lâu năm khi tháo gỡ vì hết hạn sử dụng có suất liều cực kì cao. Đối với những thiết bị này, việc lưu giữ hoặc thải chúng ra ngoài môi trường mà không làm giảm liều lượng phóng xạ dính trên bề mặt sẽ gây ảnh hưởng rất lớn và lâu dài đến môi trường xung quanh. Các phương pháp tẩy xạ nhằm làm giảm suất liều phóng xạ trong phòng thí nghiệm, nhà máy để làm giảm ảnh hưởng của nó đến môi trường và con người đã và đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Rất nhiều phương pháp được ứng dụng vào quá trình tẩy xạ như điện phân, hóa học, siêu âm... Nhưng vấn đề là những phương pháp này thường chỉ tẩy xạ được một số đối tượng có kích thước trung bình và nhỏ.
Để khắc phục hạn chế này, kỹ thuật tẩy xạ bề mặt bằng lớp phủ polyme có thể bóc tách đã được sử dụng, đó là một kỹ thuật tẩy xạ hiệu quả, đơn giản và đã được áp dụng ở rất nhiều cơ sở hạt nhân trên thế giới từ nhiều năm nay. Dung dịch gel polyme là hỗn hợp của một hay nhiều polyme được hòa tan trong một dung môi thích hợp cùng với một số chất phụ gia và tác nhân tẩy xạ. Khi sử dụng người ta phun hay quét một lớp gel polyme lên trên bề mặt bị nhiễm xạ. Sau một thời gian ngắn lớp phủ này sẽ khô đi tạo thành một lớp màng mỏng, chắc, có thể dễ dàng bóc tách được cùng với các đồng vị phóng xạ đã bị hấp thu. Cùng với sự tiến bộ của các ngành công nghệ, công nghệ tẩy xạ mà đặc biệt là kỹ thuật tẩy xạ bằng gel polyme cũng đã được đưa vào sử dụng tại một số cơ sở nghiên cứu hạt nhân như phòng thí nghiệm điện nguyên tử Knoll, phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos… và cũng được sử dụng để tẩy xạ tại một số cơ sở có sự cố hạt nhân như Chernobyl (Nga) và Three Mile Island (Hoa kỳ) từ nhiều năm nay. Decongel 1101, AlARA 1146, Bartlett TLC là một số loại sản phẩm gel polyme thương mại được bán trên thế giới và đang được sử dụng tại các cơ sở hạt nhân hiện nay. Theo báo cáo của Cục năng lượng Hoa Kỳ (DOE), tại phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore cũng cho thấy rằng chất tẩy xạ DecongelTM hiệu quả tẩy xạ đạt tới 99% đối với Pu238 trên các bề mặt nhôm, thép và polycacbonat. Chỉ cần một lần tẩy xạ nhưng hiệu quả khá cao, giảm được 90% nhiễm xạ β trên bề mặt của những thùng chứa, giảm 98% nhiễm xạ β trên những nắp của những thùng chứa và 99% nhiễm xạ β trên sàn bê tông nhẵn nhưng giá thành các sản phẩm này cao so với thị trường Việt Nam. Ở nước ta, hiện chỉ mới có đề tài nghiên cứu gel tẩy xạ tại Viện công nghệ xạ hiếm - Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam. Sản phẩm tạo thành tẩy xạ bề mặt hiệu quả đối với nhiều các đồng vị phóng xạ như: Sr85, Tc99m, Cs137, P32, I131, U238, Th232. Tuy nhiên, đây chỉ là vật liệu được tạo thành bằng phương pháp trộn cơ học nên hàm lượng gel tạo thành cũng như khả năng chứa các nhóm chức trong chuỗi polyme chưa cao. Các polyme thông minh được tạo thành thông qua phản ứng ghép bức xạ đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu để ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải, thu gom các cation, anion. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu sử dụng polyme ghép bức xạ để hấp thu các ion kim loại và các đồng vị phóng xạ thông qua sự bắt giữ các ion trong mạng lưới polyme. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cũng đã tạo ra các polyme thông minh nhận diện được các tác nhân gây bẫn thông qua sự thay đổi màu sắc.
Từ những lý do đó, nhóm nghiên cứu, Viện Nghiên cứu Hạt Nhân, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, do ThS. Nguyễn Trọng Hoành Phong đứng đầu đã đề xuất và thực hiện đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu đa nhóm chức Polyvinyl alcohol -g- Acrylic acid -co- Carboxymethyl cellulose bằng kỹ thuật bức xạ - đánh giá khả năng hấp thụ Zn 2+; Co 2+; Cs + và ứng dụng tẩy xạ bề mặt” nhằm áp dụng kỹ thuật bức xạ để tổng hợp ra copolyme có khả năng thu gom các đồng vị phóng xạ trên bề mặt, độ bền kéo cao, thời gian khô nhanh. Sản phẩm tạo thành, có độ tinh sạch cao, dễ sử dụng, giá thành rẻ, bóc tách dễ dàng, an toàn cho người sử dụng.
1. Vật liệu đa nhóm chức Polyvinyl alcohol -g- Acrylic acid -co- Carboxymethyl cellulose được điều chế bằng kỹ thuật bức xạ với thành phần: PVA (14,5%), acid acrylic (5,9 %), CMC (1,5%) và liều chiếu xạ 3,7 kGy thì độ bền kéo đạt giá trị cực đại (1706 g/cm2 ) và thời gian khô đạt giá trị cực tiểu (13,08 giờ). Các kết quả nghiên cứu cho thấy khi bổ xung CMC vào hợp phần thì độ bền cơ lý của copolyme được cải thiện, thời gian khô của vật liệu phụ thuộc nhiều vào hàm lượng của các polyme và monome có trong thành phần, liều chiếu xạ ảnh hưởng rất ít đến thời gian khô của vật liệu.
2. Các kết phân tích FT-IR cho thấy monome AA đã được ghép lên phân tử của PVA thông qua phản ứng ester hóa giữa các nhóm acid cacboxylic trong phân tử polyacrylic acid và nhóm hydroxyl trong phân tử PVA và được copolyme hóa với CMC. Kết quả phân tích nhiệt vi sai cũng chỉ ra rằng AA được ghép lên phân tử PVA thông qua các liên ngang; các liên kết này bị đứt gãy tại khoảng nhiệt độ 2680C, vật liệu copolyme PAA-g-AA-co-CMC có độ bền nhiệt cao hơn. Phân tích hình thái học bề mặt cho thấy PVA và CMC có bề mặt khá bằng phẳng và đơn giản, bề mặt của vật liệu ghép rất gồ ghề và phức tạp và có rất nhiều lỗ mao quản nhỏ, cấu trúc bề mặt của vật liệu copolyme PAA-g-AA-co-CMC gồm rất nhiều lớp xếp chồng lên nhau.
3. Khả năng hấp phụ các ion kim loại Co2+; Zn2+ và Cs+ của copolyme cũng đã được nghiên cứu. Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ cho thấy sự hấp phụ các ion trên bề mặt đồng nhất của vật liệu copolyme phù hợp với mô hình hấp phụ Langmuir với hệ số tương quan cao R2 > 0,99. Hấp dung cực đại của vật liệu tính theo mô hình tương ứng với các ion kim loại Co2+; Zn2+ và Cs+ là 312; 322 và 250 mg/g.
4. Các đánh giá thử nghiệm thu gom phóng xạ trên bề mặt các vật liệu gạch men, thép không rỉ và xi măng cho thấy hiệu suất tẩy xạ phụ thuộc rất nhiều vào bề mặt được tẩy xạ. Hiệu suất cũng như hiệu quả tẩy xạ của gel copolyme đối với các đồng vị phóng xạ trên các bề mặt giảm dần theo thứ tự: Thép không rỉ > Gạch men > Xi măng. Đối với tất các các đồng vị nghiên cứu, hiệu quả tẩy xạ trên các bề mặt nghiên cứu đều đạt từ 95 -99% sau một lần tẩy xạ. Hoạt độ trên bề mặt sau khi tẩy xạ hầu hết đều < 3,7Bq/cm2 (đối với hạt nhân phát β/γ) đáp ứng tiêu chuẩn của IAEA và của Việt Nam về sự nhiễm bẩn cực đại cho phép trên bề mặt.
5. Khả năng tẩy xạ của gel copolyme cũng được so sánh với Decongel 1101 trên các bề mặt. Đối với tất cả các đồng vị nghiên cứu thì hiệu suất tẩy xạ của Decongel 1101 đều cao hơn gel copolyme song sự không có sự khác biệt lớn.
6. Bước đầu đề tài đã đề xuất được quy trình điều chế copolyme đa nhóm chức có thể thu gom các đồng vị phóng xạ Zn65; Co60; Cs137 hiệu quả.
Bên cạnh kết quả thu được, cũng có một số vấn đề mà đề tài chưa nghiên cứu được như: Cơ chế của quá trình tẩy xạ bằng copolyme; các phản ứng khác cũng như cơ chế các phản ứng diễn ra trong hỗn hợp copolyme; Chưa nghiên cứu về thời gian sử dụng của copolyme. Chính vì vậy, đề tài kiến nghị cần nghiên cứu sâu thêm về hiệu quả tẩy xạ của vật liệu đối với nhiều đồng vị khác nhau cũng như trên nhiều bề mặt khác nhau; xây dựng thêm quy trình tẩy xạ bằng copolyme và quy trình xử lý và lưu giữ màng copolyme chứa phóng xạ và cần phải có một đề tài nghiên cứu sâu hơn về vật liệu copolyme ghép bức xạ ứng dụng tẩy xạ để tạo ra một sản phẩm đạt chất lượng tốt có thể thương mại hóa.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 18340/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
https://vista.gov.vn/
