中国高校研发“海水提铀”新材料

2019-10-08 作者:科学研究   |   浏览(149)

中国高校研发“海水提铀”新材料

导读

中新社哈尔滨10月28日电 哈尔滨工程大学28日对外发布,该校“先进海洋材料协同创新中心”研发出高效“海水提铀”新材料,引发国际关注。

据美国能源部橡树岭国家实验室官网近日报道,该实验室与美国劳伦斯伯克利国家实验室、加州大学伯克利分校、南佛罗里达大学的科研人员合作开发出一种新型生物启发材料。这种材料可应用于一种环境友好且经济划算的方案,从海水中回收铀。

该创新中心通过酯化与聚合反应对某种植物纤维进行表面改性,研发出高吸附容量、高选择性的铀吸附剂,并攻克了铀的吸附、脱附与分离纯化一体化的提取技术难题。

背景

铀是重要的核电原料,而中国陆地铀资源匮乏,铀资源的存储量关系到中国核电的可持续发展。全球海水中铀的总量高达45亿吨,被公认为是核电的未来,与其它海洋化学资源相比,铀资源浓度更低,结构更复杂,提取难度更高。因此,用于提取铀的萃取剂或吸附剂必须具有对铀极高的萃取或吸附能力和选择性。经济性地制备高效率、高选择性和稳定耐用的提取剂是实现大规模海水提铀的关键。海洋提铀技术涉及化学、材料、核能、海洋等多学科领域,尤其是需要海洋提取实践经验和分离纯化技术,这些因素使从海水提铀的成本远高于对陆地铀的开采。

铀的原子序数为92的元素,其元素符号是U,是自然界中能够找到的最重元素。在自然界中存在三种同位素,均带有放射性,拥有非常长的半衰期。

哈尔滨工程大学“先进海洋材料协同创新中心”王君教授介绍,在模拟海水的实验条件下,他们团队研发的吸附剂对铀酰离子的吸附容量高达3毫克/克。其研究成果使从海水中提取铀向经济化时代迈出重要一步,引发国际关注。目前,日、美等国在研究海水提铀领域起步较早、水平较高。据日本科学家测算,每千克陆地铀的成本是1.5万日元,而每千克海水铀的成本是3万日元。王君教授的团队所研发的新材料,使海水提铀的成本逐渐降低,使其成为一种很有前景的非常规核燃料供应来源。(原标题:中国高校研发“海水提铀”新材料引国际关注)

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(图片来源:维基百科)

其中,铀235是铀元素里中子数为143的放射性同位素,是自然界至今唯一能够发生可控裂变的同位素,主要用做核反应中的核燃料,也是制造核武器的主要原料之一。

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瑞士洛桑联邦理工学院研究使用的小型核反应堆(图片来源:维基百科)

创新

近日,来自美国能源部橡树岭国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、加州大学伯克利分校、南佛罗里达大学的科研团队开发出一种材料,它可以通过一种低成本的高分子吸附剂,选择性地绑定溶解的铀。

这项研究成果发表在《自然通信(Nature Communications)》期刊上,论文标题为: "Siderophore-Inspired Chelator Hijacks Uranium from Aqueous Medium"。以前,从海洋中提取铀资源进行可持续能源生产在成本和效率方面存在瓶颈,而这项研究有助于突破这些瓶颈。

技术

橡树岭国家实验室化学科学部的 Ilja Popovs 从嗜铁微生物的化学成分中获得灵感。细菌和真菌等微生物含有一种称为“嗜铁素(siderophores)”的神秘的自然成分。它可以从其宿主中吸取必要的营养成分例如铁。他说:“我们本质上创造了一种人造的嗜铁素,以改善材料挑选和绑定铀的方式。”

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(图片来源:参考资料

该团队使用计算与实验方法,开发出一种称为“H2BHT”的新颖的官能团。它从海水中其他元素的竞争金属离子中,优先选择出铀离子,或者说可溶于水的铀。

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(图片来源:Alexander Ivanov/美国橡树岭国家实验室)

这项基本发现是依靠原理论证阶段的 H2BHT 高分子吸附剂的良好性能作为后盾的。因为 H2BHT 具有独特的化学特性,铀离子被轻而易举地“吸收”,或者说绑定到材料纤维的表面。该原型从其他合成材料中脱颖而出,用于增加铀的存储空间,生成高度可选择、可回收的材料,比先前的方法更加高效地回收铀。

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