Извлечение урана из морской воды
28.05.2019Ученые продемонстрировали новый материал, вдохновленный биологическими свойствами, для экологически чистого и экономически эффективного подхода к извлечению урана из морской воды.
Исследовательская группа из Национальных лабораторий Окриджа и Лоуренса Беркли, Калифорнийского университета и Университета Южной Флориды, разработала материал, который избирательно связывает растворенный уран с полимерным адсорбентом. Результаты, опубликованные в Nature Communications, могут помочь преодолеть слабые места в эффективности добычи урановых ресурсов из океанов для устойчивого производства энергии.
«Наш подход является значительным шагом вперед», - говорит соавтор Илья Попов из Отдела химических наук ORNL. «Наш материал специально разработан для отбора урана. По сравнению с другими металлами, присутствующими в морской воде, он может быть легко переработан для повторного использования, что делает его гораздо более практичным и эффективным, чем ранее разработанные адсорбенты».
Попов черпал вдохновение в химии железо-голодных микроорганизмов. Микробы, такие как бактерии и грибы, секретируют природные соединения, известные как «сидерофоры», чтобы получать жизненно важные питательные вещества, такие как железо. «По сути, мы создали искусственный сидерофор, чтобы улучшить способ выбора материалов и связывания урана».
Команда использовала вычислительные и экспериментальные методы для разработки новой функциональной группы, известной как "H2BHT" - 2,6-бис [гидрокси (метил) амино] -4-морфолино-1,3,5-триазин - которая преимущественно выбирает уранил ионы, или водорастворимый уран, по сравнению с ионами металлов из других элементов в морской воде, таких как ванадий.
Фундаментальное открытие подкреплено многообещающими характеристиками проверенного принципа полимерного адсорбента H2BHT. Ионы уранила легко «адсорбируются» или связываются с поверхностью волокон материала благодаря уникальной химии H2BHT. Прототип выделяется среди других синтетических материалов для увеличения пространства для хранения урана, давая высокоселективный и пригодный для повторного использования материал, который восстанавливает уран более эффективно.
С практическим методом восстановления, добыча соленой воды предлагает устойчивую альтернативу добыче урана, которая могла бы поддерживать производство ядерной энергии в течение тысячелетий.
Месторождения урана богаты и пополняются в морской воде за счет естественной эрозии рудосодержащих пород и почвы. Несмотря на разжиженные концентрации, составляющие приблизительно 3 миллиграмма урана на тонну морской воды, в мировых океанах хранятся огромные запасы этого элемента, которые составляют приблизительно четыре миллиарда тонн - в 1000 раз больше, чем все наземные источники вместе взятые.
Тем не менее, разработка эффективных адсорбентов урана для использования этого потенциального ресурса была неуловимой задачей с 1960-х годов.
«Цель состоит в том, чтобы разработать эффективные адсорбирующие материалы по низкой цене, которые можно обрабатывать в мягких условиях для извлечения урана, а также повторно использовать для многократных циклов экстракции», - сказал Александр Иванов из ORNL, который провел вычислительные исследования H2BHT.
При поддержке Программы исследований и разработок Управления по ядерной энергетике Министерства энергетики США, команда сосредоточилась на определении основных факторов, которые влияют на селективность и увеличивают объем извлекаемого урана с помощью новых материалов.
Предыдущие исследования соединений на основе амидоксима показали принципиально более сильное притяжение к ванадию по сравнению с ураном, которое может быть трудно преодолеть. Разработка H2BHT предлагает альтернативный подход, использующий неамидоксимные материалы, для лучшего нацеливания урана в смешанных металлических водных средах.
Селективность долгое время была камнем преткновения на пути к более эффективным адсорбирующим материалам. Ранние достижения, основанные на методах проб и ошибок, показали, что функциональные группы на основе амидоксима эффективно связывают уран в воде, но еще лучше справляются с извлечением ванадия, хотя последняя имеет сравнительно более низкую концентрацию в морской воде.
«Результатом является то, что материалы на основе амидоксима, являющиеся в настоящее время лидерами для коммерчески доступных адсорбентов, быстрее заполняются ванадием, чем ураном, который трудно и дорого удалить», - сказал Попов. Кроме того, кислотная обработка может повредить волокна материала, что ограничивает их повторное использование и делает коммерческое применение слишком дорогостоящим.
«Чтобы работать как масштабная концепция, в идеале нежелательные элементы не должны адсорбироваться или могут легко удаляться во время обработки, а материал повторно использоваться в течение нескольких циклов, чтобы максимизировать количество собранного урана», - сказал Попов.
В отличие от материалов, насыщенных ванадием, полимер H2BHT может быть переработан для длительного повторного использования. Экологичные функции также дают существенные преимущества в стоимости.