Att kombinera grundläggande kemi med högpresterande datorresurser på ORNL, forskare visar en effektivare metod för att återvinna uran från havsvatten, avslöjar ett prototypmaterial som överträffar klassens bästa uranadsorbenter. Kredit:Alexander Ivanov/Oak Ridge National Laboratory, USA:s energidepartement.
Forskare har visat ett nytt bioinspirerat material för en miljövänlig och kostnadseffektiv metod för att återvinna uran från havsvatten.
En forskargrupp från Department of Energy's Oak Ridge och Lawrence Berkeley National Laboratories, University of California - Berkeley, och University of South Florida utvecklade ett material som selektivt binder löst uran med en billig polymeradsorbent. Resultaten, publiceras i Naturkommunikation , skulle kunna bidra till att förbi flaskhalsar i kostnaden och effektiviteten för att utvinna uranresurser från haven för hållbar energiproduktion.
"Vår strategi är ett betydande steg framåt, ", sa medförfattare Ilja Popovs från ORNL:s Chemical Sciences Division. "Vårt material är skräddarsytt för att välja uran framför andra metaller som finns i havsvatten och kan enkelt återvinnas för återanvändning, vilket gör det mycket mer praktiskt och effektivt än tidigare utvecklade adsorbenter."
Popovs hämtade inspiration från järnhungriga mikroorganismers kemi. Mikrober som bakterier och svampar hemliga naturliga föreningar som kallas "sideroforer" för att suga upp viktiga näringsämnen som järn från sina värdar. "Vi skapade i huvudsak en artificiell siderofor för att förbättra hur material väljer och binder uran, " han sa.
Teamet använde beräkningsmetoder och experimentella metoder för att utveckla en ny funktionell grupp känd som "H 2 BHT"—2, 6-bis[hydroxi(metyl)amino]-4-morfolino-1, 3, 5-triazin - som företrädesvis väljer uranyljoner, eller vattenlösligt uran, över konkurrerande metalljoner från andra element i havsvatten, såsom vanadin.
Den grundläggande upptäckten stöds av den lovande prestandan av ett proof-of-princip H 2 BHT polymeradsorbent. Uranyljoner "adsorberas lätt, " eller bundna till ytan av materialets fibrer på grund av den unika kemin hos H 2 BHT. Prototypen sticker ut bland andra syntetiska material för att öka lagringsutrymmet för uran, ger ett mycket selektivt och återvinningsbart material som återvinner uran mer effektivt än tidigare metoder.
Med en praktisk återhämtningsmetod, Saltvattenutvinning erbjuder ett hållbart alternativ till landbrytning av uran som skulle kunna upprätthålla kärnkraftsproduktionen i årtusenden.
Uranavlagringar är rikliga och kan fyllas på i havsvatten genom den naturliga erosionen av malmhaltiga stenar och jord. Trots utspädda koncentrationer, cirka 3 milligram uran per ton havsvatten, världshaven har enorma förråd av grundämnet på totalt uppskattningsvis fyra miljarder ton – en 1000 gånger större tillgång än alla landkällor tillsammans.
Utvecklingen av effektiva uranadsorbenter för att utnyttja denna potentiella resurs, dock, har varit ett svårfångat uppdrag sedan 1960-talet.
"Målet är att utveckla effektiva adsorberande material till en låg kostnad som kan bearbetas under milda förhållanden för att återvinna uran, och även återanvänds för flera extraktionscykler, " sa ORNLs Alexander Ivanov, som utförde beräkningsstudier av H 2 BHT.
Stöds av DOE Office of Nuclear Energy's Fuel Cycle Research and Development-program, teamet har fokuserat på att fastställa de underliggande faktorerna som påverkar selektiviteten och ökar volymen utvinningsbart uran med nya material.
Tidigare studier på amidoximbaserade föreningar visade en fundamentalt starkare attraktion till vanadin framför uran som kan vara svår att övervinna. Utvecklingen av H 2 BHT erbjuder ett alternativt tillvägagångssätt, använda icke-amidoximmaterial, för att bättre målinrikta uran i miljöer med blandad metallvatten.
Selektivitet har länge varit en stötesten på vägen mot effektivare adsorberande material. Tidiga framsteg, drivs av försök och misstag, fann amidoximbaserade funktionella grupper effektivt binder uran i vatten men gör ett ännu bättre jobb med att återvinna vanadin, även om den senare har en jämförelsevis lägre koncentration i havsvatten.
"Resultatet är att amidoximbaserade material, de nuvarande föregångarna för kommersiellt tillgängliga adsorbenter, fylls snabbare med vanadin än uran, som är svår och kostsam att ta bort, sa Popovs.
De högkoncentrerade sura lösningarna som används för att avlägsna vanadin är en ökad kostnad jämfört med milda eller basiska processlösningar och belastas av kaustikavfallsströmmar. Dessutom, syrabearbetning kan skada materialfibrer, vilket begränsar deras återanvändning, att göra kommersiell adoption oöverkomlig.
"Att fungera som ett uppskalat koncept, helst, oönskade element skulle inte adsorberas eller skulle lätt kunna avlägsnas under bearbetning och materialet återanvändas under flera cykler för att maximera mängden uran som samlas in, sa Popovs.
Till skillnad från vanadinhaltiga material, den H 2 BHT-polymer kan bearbetas med milda baslösningar och återvinnas för längre återanvändning. De miljövänliga funktionerna ger också betydande kostnadsfördelar för potentiella verkliga tillämpningar.
Nästa steg, säger forskare, är att förfina tillvägagångssättet för ökad effektivitet och kommersiella möjligheter. Tidskriftsartikeln publiceras som "Siderophore-Inspired Chelator Hijacks Uranium from Aqueous Medium."
