Team udvikler en elektrokemisk metode til udvinding af uran, og potentielt andre metalioner, fra løsning

For 50 år siden, videnskabsmænd ramte på, hvad de troede kunne være det næste raketbrændstof. Carboraner - molekyler sammensat af bor, kulstof- og brintatomer samlet i tredimensionelle former - blev set som det mulige grundlag for næste generations drivmidler på grund af deres evne til at frigive enorme mængder energi, når de brændes.

Det var teknologi, der på det tidspunkt havde potentialet til at øge eller endda overgå traditionelt kulbrinteraketbrændstof, og var genstand for store investeringer i 1950'erne og 60'erne.

Men tingene gik ikke som forventet.

"Det viser sig, at når du brænder disse ting, danner du faktisk en masse sediment, sagde Gabriel Ménard, en adjunkt i UC Santa Barbaras Institut for Kemi og Biokemi. Ud over andre problemer, der er fundet ved afbrænding af dette såkaldte "zip-brændstof, "dets rester tyggede også værkerne i raketmotorer, og så blev projektet skrottet.

"Så de lavede disse enorme lagre af disse forbindelser, men de brugte dem faktisk aldrig, " sagde Ménard.

Spol frem til i dag, og disse forbindelser er kommet tilbage på mode med en bred vifte af anvendelser, fra medicin til nanoteknik. For Ménard og andre UCSB kemiprofessor Trevor Hayton, samt Tel Aviv Universitets kemiprofessor Roman Dobrovetsky, carboraner kunne holde nøglen til mere effektiv uranion-udvinding. Og det, på tur, kunne muliggøre ting som bedre oparbejdning af nukleart affald og genvinding af uran (og andet metal) fra havvand.

Deres forskning - det første eksempel på anvendelse af elektrokemiske carboranprocesser til uranudvinding - er offentliggjort i et papir (link), der vises i tidsskriftet Natur .

Nøglen til denne teknologi er klyngemolekylets alsidighed. Afhængigt af deres sammensætning kan disse strukturer minde om lukkede bure, eller flere åbne reder, på grund af kontrol af forbindelsens redoxaktivitet - dens parathed til at donere eller få elektroner. Dette giver mulighed for kontrolleret indfangning og frigivelse af metalioner, som i denne undersøgelse blev anvendt på uraniumioner.

"Det store fremskridt her er denne 'fang og slip'-strategi, hvor du kan skifte mellem to stater, hvor en tilstand binder metallet og en anden tilstand frigiver metallet, " sagde Hayton.

Konventionelle processer, såsom den populære PUREX-proces, der udvinder plutonium og uran, er stærkt afhængig af opløsningsmidler, ekstraktionsmidler og omfattende forarbejdning.

"I bund og grund, man kan sige det er spild, " sagde Ménard. "I vores tilfælde, vi kan gøre dette elektrokemisk - vi kan indfange og frigive uran ved at trykke på en kontakt.

"Hvad sker der egentlig, " tilføjede Ménard, "er at buret åbner sig." Specifikt, den tidligere lukkede ortho-carboran bliver en åbnet nido- ("rede") carboran, der er i stand til at fange den positivt ladede uranion.

Konventionelt, kontrolleret frigivelse af ekstraherede uraniumioner, imidlertid, er ikke så ligetil og kan være noget rodet. Ifølge forskerne, sådanne metoder er "mindre etablerede og kan være vanskelige, dyrt og eller ødelæggende for det oprindelige materiale."

Men her, forskerne har udtænkt en måde til pålideligt og effektivt at vende frem og tilbage mellem åbne og lukkede carboraner, bruger elektricitet. Ved at påføre et elektrisk potentiale ved hjælp af en elektrode dyppet i den organiske del af et bifasisk system, carboranerne kan modtage og donere de elektroner, der er nødvendige for at åbne og lukke og fange og frigive uran, henholdsvis.

"Dybest set kan du åbne det, indfange uran, luk den igen og frigiv derefter uran, " sagde Ménard. Molekylerne kan bruges flere gange, han tilføjede.

Denne teknologi kan bruges til flere applikationer, der kræver udvinding af uran og i forlængelse heraf, andre metalioner. Et område er nuklear oparbejdning, hvor uran og andre radioaktive "trans-uran"-elementer udvindes fra brugt nukleart materiale til opbevaring og genbrug (PUREX-processen).

"Problemet er, at disse transuran-elementer er meget radioaktive, og vi skal være i stand til at opbevare dem i meget lang tid, fordi de grundlæggende er meget farlige, " sagde Ménard. Denne elektrokemiske metode kunne tillade adskillelse af uran fra plutonium, svarende til PUREX-processen, forklarede han. Det udvundne uran kunne derefter beriges og sættes tilbage i reaktoren; det andet højaktive affald kan omdannes for at reducere deres radioaktivitet.

Derudover den elektrokemiske proces kunne også anvendes til uranudvinding fra havvand, hvilket ville lette presset på de terrestriske miner, hvor alt uran i øjeblikket hentes.

"Der er omkring tusind gange mere opløst uran i havene, end der er i alle landminer, " sagde Ménard. På samme måde, lithium - et andet værdifuldt metal, der findes i store reserver i havvand - kunne udvindes på denne måde, og forskerne planlægger at tage denne forskningsretning i den nærmeste fremtid.

"Dette giver os endnu et værktøj i værktøjskassen til at manipulere metalioner og behandle atomaffald eller foretage metalfangst ud af havene, " sagde Hayton. "Det er en ny strategi og ny metode til at opnå disse typer transformationer."

Forskning i denne undersøgelse blev også udført af Megan Keener (hovedforfatter), Camden Hunt og Timothy G. Carroll ved UCSB; og af Vladimir Kampel ved Tel Aviv Universitet.