海水提铀新方法可用于高效生产核燃料

IEEE电气电子工程师学会 2022-01-25 17:38

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TECHNICAL INSTITUTE OF PHYSICS AND CHEMISTRY, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES/NATURE SUSTAINABILITY


国际原子能机构预计,核能在未来几十年将大幅增长,到2050年将增长82%。这将增加对铀的需求,而陆地储量可能无法满足这一需求。


但根据美国能源部的数据,世界海洋中的铀含量至少是所有已知陆地储量的500倍。这相当于海水中含有超过45亿吨的元素,尽管其浓度极低,为十亿分之3.3,科学家们一直在试图找到有效的方法来提取它。


研究人员最近报道了一种性能最好的材料。这种多孔膜从海水中吸收的铀比目前制造的膜多20倍。当研究人员将天然海水泵入膜中时,膜在四周内每克材料中捕获了超过9毫克的铀,比之前报道的其他提取铀的材料在两倍的时间内收集到的铀要多。


橡树岭国家实验室的化学工程师Costas Tsouris说,这种膜的高铀捕获能力很有吸引力,确实超过了它的“前辈”。同样重要的是,特别是在海洋环境中,膜的动力学值得考究。他表示,这种方法捕获铀的速度很快,需要在海水中浸泡的时间更短,从而避免微生物膜的生长污染材料。这将使从膜中分离提取的铀和重复使用膜变得更容易。


Tsouris和他的同事从2011年开始从事海水铀矿开采工作六年。他们使用了一种吸附剂——一种与带有“b”的吸附剂不同的材料,这种材料只利用其表面吸引基于一种化学基团的物质,这种化学基团称为氨基肟,是日本研究人员在20世纪80年代首创的。氨基肟表现出与天然存在于海水中的铀离子进行化学结合的偏好,而不是与其他竞争离子(如铁、铜和钙)进行化学结合。


ORNL的科学家们将吸附剂涂敷在塑料纤维上,编织这些纤维,然后将编织物放在海水中。八周后,这些纤维吸收了将近8毫克/克的铀。


2018年,太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)和LCW Supercial Technologies的研究人员报告了一种类似的胺肟涂层纤维,当实验室中的海水被泵入时,该纤维可提取约5 mg/g的铀。


一些研究小组最近将酰胺肟放在具有高比表面积的主体材料上,例如纳米结构材料或多孔膜,这使得更多的位置可用于吸附并增加铀的吸收。Liping Wen和中国科学院的同事们采取的方法。他们的研究最近发表在《自然可持续性》杂志上。


受在血管和其他器官中发现的分级多孔结构的启发,研究人员制作了一种具有多种大小孔隙的膜。孔隙被酰胺肟覆盖。当海水流过膜时,铀和其他分子首先快速通过20微米宽的大孔,进入更窄的通道,然后进入更小的300–500 nm的孔,较慢的速度使铀与酰胺肟结合。这种多尺度设计使水流快速通过,并最大限度地扩大吸附表面积。


在实验室里,研究人员将一种铀浓度为32ppm的溶液泵入他们的新膜和其他具有均匀孔隙的膜中。这种新的膜提取的铀是原来的20倍。


接下来,他们在一根管子里的两块海绵之间放置了一层10毫克的膜,并通过管子连续泵送天然海水。在一周内,膜累积6.63mg/g或铀,四周后达到9.03mg/g。研究人员能够回收铀并将膜重复使用五次,而不会损失提取能力。


Tsouris表示,膜的测试当然将在真实的海洋环境中进行。这将显示膜的稳定性以及它抵抗微生物污染的能力。这项技术是新的,但早期的结果是有希望的。“为了从海水中回收相关数量的铀,我们需要处理大量的水,”他说,“如果我们开始抽那么多,我们在这个过程中消耗的能量将超过我们从铀中获得的能量。”还需要进一步的发展,以降低生产成本,最终使世界能够从海洋中获取核燃料。


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