Ученые продемонстрировали новый биоматериал для экологически чистого и экономичного подхода к извлечению урана из морской воды.
Исследовательская группа из Национальных лабораторий Министерства энергетики Ок-Риджа и Лоуренса Беркли, Калифорнийского университета в Беркли и Университета Южной Флориды разработала материал, который селективно связывает растворенный уран с помощью недорогого полимерного адсорбента. Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, могут помочь преодолеть узкие места в стоимости и эффективности извлечения ресурсов урана из океанов для устойчивого производства энергии.
«Наш подход - это значительный шаг вперед», - сказал соавтор Илья Поповс из отдела химических наук ORNL. «Наш материал специально разработан для выбора урана среди 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».
Поповы черпали вдохновение в химии микроорганизмов, жадных до железа. Микробы, такие как бактерии и грибы, выделяют природные соединения, известные как «сидерофоры», чтобы выкачивать необходимые питательные вещества, такие как железо, из своих хозяев. «По сути, мы создали искусственный сидерофор, чтобы улучшить способ отбора 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, который предпочтительно выбирает ионы уранила или водорастворимый уран, а не конкурирующие ионы металлов из других элементов в морской воде, таких как ванадий.
Фундаментальное открытие подкрепляется многообещающими характеристиками экспериментального полимерного адсорбента H2BHT. Ионы уранила легко «адсорбируются» или связываются с поверхностью волокон материала благодаря уникальному химическому составу H2BHT. Прототип выделяется среди других синтетических материалов тем, что увеличивает пространство для хранения урана, давая высокоселективный и пригодный для повторного использования материал, который извлекает уран более эффективно, чем предыдущие методы.
Добыча соленой воды с практическим методом восстановления предлагает устойчивую альтернативу наземной добыче урана, которая может поддерживать производство ядерной энергии в течение тысячелетий.
Залежи урана многочисленны и пополняются в морской воде за счет естественной эрозии рудосодержащих горных пород и почвы. Несмотря на разбавленную концентрацию, примерно 3 миллиграмма урана на тонну морской воды, мировые океаны содержат огромные запасы элемента, оцениваемые в четыре миллиарда тонн, что в 1000 раз больше, чем все наземные источники вместе взятые.
Разработка эффективных адсорбентов урана для использования этого потенциального ресурса, однако, была труднодостижимой задачей с 1960-х годов.
«Цель состоит в том, чтобы разработать эффективные адсорбирующие материалы по низкой цене, которые можно перерабатывать в мягких условиях для извлечения урана, а также повторно использовать для нескольких циклов экстракции», - сказал Александр Иванов из ORNL, который провел вычислительные исследования H. 2BHT.
При поддержке программы исследований и разработок в области топливного цикла Управления ядерной энергии Министерства энергетики США команда сосредоточила свое внимание на определении основных факторов, влияющих на селективность и увеличение объема извлекаемого урана с помощью новых материалов.
Предыдущие исследования соединений на основе амидоксима выявили принципиально более сильное притяжение к ванадию по сравнению с ураном, которое может быть трудно преодолеть. Разработка H2BHT предлагает альтернативный подход с использованием материалов, не содержащих амидоксим, для лучшего обнаружения урана в водной среде со смешанными металлами.
Селективность долгое время была камнем преткновения на пути к более эффективным адсорбирующим материалам. Ранние достижения, основанные на пробах и ошибках, показали, что функциональные группы на основе амидоксима эффективно связывают уран в воде, но еще лучше справляются с извлечением ванадия, хотя последний имеет сравнительно более низкую концентрацию в морской воде.
«В результате материалы на основе амидоксима, в настоящее время являющиеся лидерами среди коммерчески доступных адсорбентов, быстрее заполняются ванадием, чем ураном, который трудно и дорого удалить», - сказал Попов.
Высококонцентрированные кислые растворы, используемые для удаления ванадия, требуют повышенных затрат по сравнению с мягкими или щелочными технологическими растворами и отягощены потоками едких отходов. Кроме того, обработка кислотой может повредить волокна материала, что ограничивает их повторное использование, делая коммерческое внедрение непомерно дорогим.
«В идеале, чтобы работать в расширенном масштабе, нежелательные элементы не должны адсорбироваться или их можно было бы легко отделить во время обработки, а материал повторно использовать в течение нескольких циклов, чтобы максимизировать количество собранного урана», - сказал Попов.
В отличие от материалов, содержащих ванадий, полимер H2BHT можно перерабатывать с использованием слабощелочных растворов и перерабатывать для более длительного повторного использования. Экологически чистые функции также обеспечивают значительные преимущества по стоимости для потенциальных приложений в реальном мире.
Следующим шагом, по словам исследователей, является усовершенствование подхода для повышения эффективности и возможностей коммерческого масштаба. Журнальная статья опубликована под названием «Вдохновленный сидерофором хелатор захватывает уран из водной среды».