Новости

Ученые продемонстрировали новый материал, вдохновленный биологическими свойствами, для экологически чистого и экономически эффективного подхода по извлечению урана из морской воды.

Credit: © vchalup / Adobe Stock

Исследовательская группа из Национальных лабораторий Ок-Риджа, Лоуренса Беркли, Калифорнийского университета, Беркли и Университета Южной Флориды разработала материал, который избирательно связывает растворенный уран с дешевым полимерным адсорбентом. Результаты, опубликованные в Nature Communications, могут помочь преодолеть сложности в стоимости и 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 именно урана из массы других металлов, присутствующих в морской воде, и 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 откачивать жизненно важные питательные вещества, такие как железо, от своих хозяев. «По сути, мы создали искусственный сидерофор, чтобы улучшить способ выбора материалов и связывания урана», - сказал он.

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, чем предыдущие методы.

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 нерешаемой 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 методе 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.

Высококонцентрированные кислотные растворы, используемые для удаления ванадия, требуют больших затрат по сравнению с мягкими или основными технологическими растворами и обременены потоками едких отходов. Кроме того, кислотная обработка может повредить волокна материала, что ограничивает их повторное использование, что 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 с использованием мягких основных растворов и переработан для длительного повторного использования. Экологичные свойства также дают существенные преимущества в стоимости для потенциальных приложений.

Следующим шагом, по словам исследователей, является усовершенствование подхода для большей эффективности и возможностей коммерческого масштаба.

Источник: Alexander S. Ivanov, Bernard F. Parker, Zhicheng Zhang, Briana Aguila, Qi Sun, Shengqian Ma, Santa Jansone-Popova, John Arnold, Richard T. Mayes, Sheng Dai, Vyacheslav S. Bryantsev, Linfeng Rao, Ilja Popovs. Siderophore-inspired chelator hijacks uranium from aqueous medium. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-08758-1