Bio-inspireret materiale retter sig mod oceanernes uranlagre for bæredygtig atomenergi

Forskere har demonstreret et nyt bio-inspireret materiale til en miljøvenlig og omkostningseffektiv tilgang til genvinding af uran fra havvand.

Et forskerhold fra Department of Energy's Oak Ridge og Lawrence Berkeley National Laboratories, University of California - Berkeley, og University of South Florida udviklede et materiale, der selektivt binder opløst uran med en billig polymeradsorbent. Resultaterne, udgivet i Naturkommunikation , kunne hjælpe med at skubbe forbi flaskehalse i omkostningerne og effektiviteten ved at udvinde uranressourcer fra havene til bæredygtig energiproduktion.

"Vores tilgang er et betydeligt spring fremad, " sagde medforfatter Ilja Popovs fra ORNL's Chemical Sciences Division. "Vores materiale er skræddersyet til at vælge uran frem for andre metaller til stede i havvand og kan nemt genbruges til genbrug, gør det meget mere praktisk og effektivt end tidligere udviklede adsorbenter."

Popovs tog inspiration fra jernhungrende mikroorganismers kemi. Mikrober såsom bakterier og svampe hemmelige naturlige forbindelser kendt som "sideroforer" til at suge essentielle næringsstoffer som jern fra deres værter. "Vi skabte i det væsentlige en kunstig siderofor for at forbedre den måde, materialer udvælger og binder uran på, " han sagde.

Holdet brugte beregningsmæssige og eksperimentelle metoder til at udvikle en ny funktionel gruppe kendt som "H ₂ BHT"—2, 6-bis[hydroxy(methyl)amino]-4-morpholino-1, 3, 5-triazin - der fortrinsvis udvælger uranylioner, eller vandopløseligt uran, over konkurrerende metalioner fra andre grundstoffer i havvand, såsom vanadium.

Den grundlæggende opdagelse bakkes op af den lovende præstation af et proof-of-princip H ₂ BHT polymer adsorbent. Uranylioner "adsorberes let, " eller bundet til overfladen af ​​materialets fibre på grund af den unikke kemi af H ₂ BHT. Prototypen skiller sig ud blandt andre syntetiske materialer til at øge lagerpladsen til uran, hvilket giver et meget selektivt og genanvendeligt materiale, der genvinder uran mere effektivt end tidligere metoder.

Med en praktisk genopretningsmetode, Saltvandsudvinding tilbyder et bæredygtigt alternativ til landminedrift af uran, der kan opretholde atomkraftproduktion i årtusinder.

Uranaflejringer er rigelige og genopfyldelige i havvand gennem den naturlige erosion af malmholdige sten og jord. På trods af fortyndede koncentrationer, cirka 3 milligram uran pr. ton havvand, verdenshavene rummer enorme lagre af grundstoffet på i alt anslået fire milliarder tons - en 1000 gange større forsyning end alle landkilder tilsammen.

Udviklingen af ​​effektive uraniumadsorbenter til at udnytte denne potentielle ressource, imidlertid, har været en uhåndgribelig søgen siden 1960'erne.

"Målet er at udvikle effektive adsorberende materialer til en lav pris, der kan behandles under milde forhold for at genvinde uran, og også genbrugt til flere ekstraktionscyklusser, " sagde ORNLs Alexander Ivanov, der udførte beregningsstudier af H ₂ BHT.

Støttet af DOE Office of Nuclear Energy's Fuel Cycle Research and Development-program, holdet har fokuseret på at bestemme de underliggende faktorer, der påvirker selektiviteten og øger mængden af ​​genvindeligt uran med nye materialer.

Tidligere undersøgelser af amidoxim-baserede forbindelser afslørede en fundamentalt stærkere tiltrækning til vanadium frem for uran, som kan være svær at overvinde. Udviklingen af ​​H ₂ BHT tilbyder en alternativ tilgang, ved brug af ikke-amidoximmaterialer, for bedre at målrette uran i miljøer med blandet metalvand.

Selektivitet har længe været en stopklods på vejen mod mere effektive adsorberende materialer. Tidlige fremskridt, drevet af forsøg og fejl, fundet amidoxim-baserede funktionelle grupper effektivt binder uran i vand, men gør et endnu bedre stykke arbejde med at genvinde vanadium, selvom sidstnævnte har en forholdsvis lavere koncentration i havvand.

"Resultatet er, at amidoxim-baserede materialer, de nuværende frontløbere for kommercielt tilgængelige adsorbenter, fyldes hurtigere op med vanadium end uran, som er vanskelig og dyr at fjerne, " sagde Popovs.

De stærkt koncentrerede sure opløsninger, der bruges til at fjerne vanadium, er en øget udgift sammenlignet med milde eller basiske behandlingsopløsninger og belastes af kaustiske affaldsstrømme. I øvrigt, syrebehandling kan beskadige materialefibre, hvilket begrænser deres genbrug, gør kommerciel adoption omkostningsmæssigt uoverkommelig.

"At arbejde som et opskaleret koncept, ideelt set, uønskede elementer ville ikke blive adsorberet eller let kunne strippes under forarbejdning og materialet genbruges i flere cyklusser for at maksimere mængden af ​​opsamlet uran, " sagde Popovs.

I modsætning til vanadiumholdige materialer, den H ₂ BHT-polymer kan forarbejdes ved hjælp af milde basisopløsninger og genbruges til længerevarende genbrug. De miljøvenlige funktioner giver også betydelige omkostningsfordele til potentielle applikationer i den virkelige verden.

Det næste skridt, siger forskere, er at forfine tilgangen til større effektivitet og kommercielle skalamuligheder. Tidsskriftsartiklen er publiceret som "Siderophore-Inspired Chelator Hijacks Uranium from Aqueous Medium."