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從海水中提取鈾可用于新型生物啟發(fā)材料

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1213次  |  2019年05月23日  

鈾(Uranium)的原子序數(shù)為92的元素,其元素符號(hào)是U,是自然界中能夠找到的最重元素。在自然界中存在三種同位素,均帶有放射性,擁有非常長(zhǎng)的半衰期(數(shù)億年~數(shù)十億年)。其中,鈾235是鈾元素里中子數(shù)為143的放射性同位素,是自然界至今唯一能夠發(fā)生可控裂變的同位素,主要用做核反應(yīng)中的核燃料,也是制造核武器的主要原料之一。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究使用的小型核反應(yīng)堆(圖片來(lái)源:維基百科)

創(chuàng)新

近日,來(lái)自美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)伯克利分校、南佛羅里達(dá)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種材料,它可以通過(guò)一種低成本的高分子吸附劑,選擇性地綁定溶解的鈾。

這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《自然通信(NatureCommunications)》期刊上,論文標(biāo)題為:"Siderophore-InspiredChelatorHijacksUraniumfromAqueousMedium"。以前,從海洋中提取鈾資源進(jìn)行可持續(xù)能源生產(chǎn)在成本和效率方面存在瓶頸,而這項(xiàng)研究有助于突破這些瓶頸。

技術(shù)

橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)科學(xué)部的IljaPopovs從嗜鐵微生物的化學(xué)成分中獲得靈感。細(xì)菌和真菌等微生物含有一種稱(chēng)為“嗜鐵素(siderophores)”的神秘的自然成分。它可以從其宿主中吸取必要的營(yíng)養(yǎng)成分例如鐵。他說(shuō):“我們本質(zhì)上創(chuàng)造了一種人造的嗜鐵素,以改善材料挑選和綁定鈾的方式。”

該團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算與實(shí)驗(yàn)方法,開(kāi)發(fā)出一種稱(chēng)為“H2BHT”的新穎的官能團(tuán)。它從海水中其他元素(例如釩)的競(jìng)爭(zhēng)金屬離子中,優(yōu)先選擇出鈾離子,或者說(shuō)可溶于水的鈾。

這項(xiàng)基本發(fā)現(xiàn)是依靠原理論證階段的H2BHT高分子吸附劑的良好性能作為后盾的。因?yàn)镠2BHT具有獨(dú)特的化學(xué)特性,鈾離子被輕而易舉地“吸收”,或者說(shuō)綁定到材料纖維的表面。該原型從其他合成材料中脫穎而出,用于增加鈾的存儲(chǔ)空間,生成高度可選擇、可回收的材料,比先前的方法更加高效地回收鈾。

作為一種切實(shí)可行的回收方法,鹽水萃取為陸上開(kāi)采鈾(這些鈾可以維持核電生產(chǎn)達(dá)千年)提供了一種可持續(xù)的替代方案。

通過(guò)含有礦石的巖石與土壤的天然侵蝕,海水中的鈾礦床非常豐富而且是可補(bǔ)充的。盡管濃度很低,每噸海水中差不多只有3毫克的鈾,但是全世界的海洋蘊(yùn)藏著豐富的鈾,總共可達(dá)40億噸,是陸地上所有鈾資源總和的千倍以上。

然而,自上世紀(jì)六十年代以來(lái),為了利用這種潛在的資源,開(kāi)發(fā)高效的鈾吸附劑一直是科研人員們難以實(shí)現(xiàn)的追求。

橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的AlexanderIvanov對(duì)H2BHT進(jìn)行了計(jì)算研究。他表示:“目標(biāo)就是低成本地開(kāi)發(fā)高效的吸附劑材料,這種材料可以在溫和條件下處理來(lái)回收鈾,并可重復(fù)用于多次萃取循環(huán)。”

在美國(guó)能源部核能燃料循環(huán)研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目辦公室的支持下,團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于查明影響選擇性的潛在因素,并通過(guò)新材料提升可回收的鈾的量。

之前關(guān)于偕胺肟基成分的研究表明,從根本上說(shuō),釩比鈾具有更強(qiáng)的吸附力,這是一個(gè)難以克服的問(wèn)題。H2BHT的開(kāi)發(fā)提供一個(gè)替代方案,采用非偕胺肟材料,更好地針對(duì)混合金屬水環(huán)境中的鈾。

在通往更加高效的吸附劑材料的道路上,選擇性一直是一塊絆腳石。嘗試和失敗所驅(qū)動(dòng)的早期進(jìn)展,發(fā)現(xiàn)偕胺肟基官能團(tuán)有效地綁定水中的鈾,但是回收釩的效果卻更好,盡管后者在海水中的濃度相對(duì)較低。

Popovs表示:“結(jié)果是,目前商用吸附劑的領(lǐng)先者偕胺肟基材料,充滿(mǎn)釩的速度比鈾更快,而去除釩的成本高、難度大。”

這種用于去除釩的高度濃縮的酸性溶液,與溫和處理或者基本處理的溶液相比更加昂貴,并且會(huì)受到腐蝕性廢物流的困擾。進(jìn)一步說(shuō),酸性處理會(huì)損壞材料纖維,這樣會(huì)限制材料的重復(fù)使用,使得商用成本高昂。

Popovs表示:“作為一種可擴(kuò)展的概念,理想地說(shuō),不需要的元素不會(huì)被吸收,或者在處理期間很容易去除,而且材料可以重復(fù)使用幾個(gè)循環(huán),以最大化采集鈾的量。”

價(jià)值

不同于裝載釩的材料,H2BHT聚合物可以采用溫和的基礎(chǔ)溶液處理,并且循環(huán)使用。這種環(huán)境友好的特征,也為潛在的真實(shí)世界應(yīng)用顯著地降低了成本。

Popovs表示:“我們的方案標(biāo)志著一個(gè)顯著的飛躍。我們的材料是為從海水中的其他金屬中挑選鈾而專(zhuān)門(mén)定制的,并且便于循環(huán)再利用,比之前開(kāi)發(fā)的吸附劑更加實(shí)用和高效。”

未來(lái)

研究人員稱(chēng),下一步就是為更高的效率和商業(yè)規(guī)模的機(jī)遇改進(jìn)這個(gè)方案。

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