Cattura efficiente e simultanea di iodio e ioduro di metile ottenuta da una struttura organica covalente

Nature Communications volume 13, numero articolo: 2878 (2022) Citare questo articolo

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Lo iodio molecolare radioattivo (I2) e gli ioduri organici, principalmente ioduro di metile (CH3I), coesistono nel flusso dei gas di scarico delle centrali nucleari a basse concentrazioni, mentre pochi adsorbenti possono assorbire efficacemente I2 e CH3I a bassa concentrazione simultaneamente. Qui dimostriamo che l'adsorbimento di I2 può avvenire su vari siti di adsorbimento ed essere promosso attraverso interazioni intermolecolari. La capacità di adsorbimento del CH3I è correlata positivamente con il contenuto di siti di legame forti ma non è correlata alle proprietà strutturali dell'adsorbente. Queste intuizioni ci consentono di progettare una struttura organica covalente per catturare simultaneamente I2 e CH3I a basse concentrazioni. Il materiale sviluppato, COF-TAPT, combina elevata cristallinità, un'ampia area superficiale e abbondanti gruppi nucleofili e mostra una capacità di adsorbimento statico CH3I record (1,53 g·g−1 a 25 °C). Nell'adsorbimento dinamico di gas misti con 150 ppm di I2 e 50 ppm di CH3I, COF-TAPT presenta un'eccellente capacità di cattura totale dello iodio (1,51 g·g−1), superando vari adsorbenti di riferimento. Questo lavoro approfondisce la comprensione dei meccanismi di adsorbimento I2/CH3I, fornendo indicazioni per lo sviluppo di nuovi adsorbenti per applicazioni correlate.

Negli ultimi dieci anni i reattori nucleari hanno continuato a fornire circa il 10% dell’energia mondiale1. In quanto fonte di energia sostenibile e a basse emissioni di carbonio, si prevede che l’energia nucleare svolgerà un ruolo più importante in futuro2,3,4. Tuttavia, i problemi di sicurezza mettono ancora a dura prova il suo funzionamento. Uno dei maggiori problemi di sicurezza sono i rifiuti radioattivi volatili prodotti durante il ritrattamento dei combustibili nucleari esauriti, che consistono principalmente di radionuclidi, come 129I e 131I sotto forma di iodio molecolare (I2) o ioduri organici (ad esempio, ioduro di metile (CH3I ) e ioduro di etile)4,5,6,7,8. Questi composti sono dannosi per l'ambiente (il 129I ha un'emivita estremamente lunga di circa 1,57 × 107 anni) o influenzano gravemente il metabolismo umano danneggiando la ghiandola tiroidea e devono essere rimossi prima che i gas di scarico vengano scaricati9,10,11.

Rispetto ai tradizionali processi di lavaggio con liquidi per catturare lo iodio radioattivo, i processi basati sull’adsorbimento richiedono un funzionamento più semplice e costi di manutenzione inferiori ed evitano soluzioni altamente corrosive6. Pertanto, i ricercatori si sono sempre più concentrati sullo sviluppo di vari adsorbenti per la cattura dello iodio, compresi materiali contenenti argento (Ag)12,13,14, ceramica13,15,16, zeoliti17,18, aerogel19,20,21, strutture metallo-organiche8, 22,23,24,25,26 e polimeri coniugati27,28,29,30,31. La maggior parte di questi studi si sono concentrati sulla capacità di adsorbimento dell'adsorbente sviluppato per I2, mentre solo pochi studi hanno affrontato la cattura di CH3I e ancora meno studi hanno esaminato la cattura simultanea di I2 e CH3I. Dato che lo iodio molecolare radioattivo e gli ioduri organici coesistono nei flussi di gas di scarico, è particolarmente importante sviluppare adsorbenti in grado di catturarli simultaneamente ed efficientemente.

Sono state adottate varie strategie per promuovere l'adsorbimento delle specie di iodio. Per I2, strategie efficaci includono quanto segue: (i) utilizzare adsorbenti contenenti Ag per precipitare I2 sotto forma di ioduro d'argento (AgI)2,12,13, (ii) introdurre eteroatomi ricchi di elettroni (ad esempio, azoto (N), zolfo (S) e ossigeno (O)) o donatori π (ad esempio, doppi/tripli legami, anelli benzenici e altri composti aromatici) in adsorbenti per adsorbire I2 carente di elettroni formando complessi di trasferimento di carica32,33,34, 35,36,37,38,39,40,41 e (iii) modificando l'adsorbente con gruppi ionici (ad esempio, [RN-(CH3)3]+·Br−) per adsorbire I2 tramite interazioni di Coulomb42. Rispetto a I2, CH3I è più difficile da catturare a causa delle forze intermolecolari più deboli43. Attualmente, la cattura di CH3I si ottiene principalmente attraverso la decomposizione catalitica su adsorbenti contenenti Ag per formare AgI13,44,45,46 o attraverso una reazione di N-metilazione su siti N nucleofili per formare piridinio34 o sali di ammonio quaternario1,31,47,48 ,49. Sulla base di queste intuizioni, ipotizziamo che gli adsorbenti contenenti abbondanti siti Ag o siti N nucleofili possano mostrare un'elevata capacità di cattura sia per I2 che per CH3I. Dato il costo elevato e la scarsa riciclabilità degli adsorbenti a base di Ag, lo sviluppo di adsorbenti ricchi di N è una scelta migliore per catturare simultaneamente I2 e CH3I.