中科院上海应物所《JMCA》:海水提铀取得新进展!

电被认为是一种高效的清洁能源,正逐渐成为我国调整能源结构、实现经济和环境协调发展、促进产业结构升级的重要保障。我国是全球核电站在建规模最大的国家。而我国已探明及推测的矿资源总量仅为17.3万吨,铀燃料缺口近90%,严重依赖于进口。铀矿资源的紧缺使得科学家们纷纷将目光转向非常规铀资源,如海水。海水中蕴藏着约45亿吨铀,相当于全球陆地铀矿储量的一千倍。把海水中的铀资源经济有效地利用起来,可成为我国核电事业与核力量稳定发展的重要补充和保障。尽管海洋中铀总量巨大,但其浓度低,共存离子多,海洋环境复杂,海水提铀工业化一直面临着巨大的挑战。

近日,中国科学院上海应用物理研究所海水提铀团队通过两步接枝聚合技术制备了具有互连开孔结构、纳米颗粒和纳米通道的聚偕胺肟(AO-OpNpNc)纤维吸附材料。这种具有高力学强度、高孔隙率、高比表面积和大量铀螯合位点的功能化纤维材料能在海洋中无额外驱动力下自发吸附铀酰离子。该材料制备成本低,工艺简单,并且放置和打捞方便,是目前广泛接受的最有望实现海水提铀工业化的材料。相关工作作为背封面(Outside back cover)以题为“Ultrahigh and Economical Uranium Extraction from Seawater Via Interconnected Open-Pore Architecture Poly(amidoxime) Fiber ” (https://doi.org/10.1039/D0TA07180C)发表在国际材料学顶级期刊《Journal of Material Chemistry A》(Selected as one of 2020 JMCA HOT Papers)。论文通迅作者为中国科学院上海应用物理研究所马红娟副研究员美国北德克萨斯大学马胜前教授

中科院上海应物所《JMCA》:海水提铀取得新进展!

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图1 (a)具有易放置、可打捞、低成本和超高铀吸附容量的AO-OpNpNc纤维实现海水提铀工业化概念图;(b)AO-OpNpNc纤维中的互连开孔纳米通道结构有利于与大量海水充分接触,从而使得铀的吸附容量达到了17.57 mg/g。

研究团队通过预辐射共接枝聚合结合化学引发共接枝聚合技术首次将高结晶度和高机械强度的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维改造成一种具有互连开孔纳米通道结构和含有大量铀鳌合位点纳米颗粒的连续纤维材料。该材料具有高比表面积、高孔隙率、高机械强度和超高吸附容量特性。AO-OpNpNc纤维的纳米颗粒粒径约270 ± 2 nm,纳米通道的孔径约为80 ± 4 nm。这种特异性结构暴露出丰富的铀螯合位点,使AO-OpNpNc纤维具有超高的铀吸附能力。材料在真实海水中对铀的吸附容量达到17.57mg/g。超高机械强度的UHMWPE基材纤维的使用,使获得的AO-OpNpNc纤维表现出344.0 MPa的高拉伸断裂强度,远高于文献报道的偕胺肟基吸附材料。超高的机械强度使材料的使用寿命达到了30次以上。综合性能评估显示,使用AO-OpNpNc纤维进行海水提铀,提铀的成本可降低到$80.70–86.25/kg-U,已经与国际铀价相当。这种互连开孔纳米通道结构的高强度纤维不仅结构稳定、可控,而且经济高效,可大规模批量制备。研究团队制备1 kg 的高性能纤维吸附材料于我国近海提取了5.6 g铀。这种新型的海水提铀用吸附材料有望实现海水提铀工业化。从海洋中获得核燃料的梦想将很快成为现实。

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图2 UHMWPE纤维改性前后的SEM-EDS和TEM图

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图3 AO-OpNpNc纤维在模拟海水和真实海水中的对铀的吸附性能

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