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行業新聞

【Elsevier最前線】海水提鈾,無限的資源還是不可能的愿望?

2017/9/11 9:30:08

一.前言
海水中的鈾的含量比陸地鈾要多數百倍。但是由于海水鈾的低濃度(約十億分之三)和高鹽度,提取鈾用于核能發電面臨著挑戰。當前基于吸附材料的方法由于其表面物理化學吸附的性質而受到限制。
近期《自然·能源》雜志發表一篇文章《基于半波整流交流電的電化學方法進行海水提鈾的研究》,可從海水中高效提取鈾,較之傳統的物理化學吸附法,提取能力提升了9倍,速度提升了4倍。

二.技術發展

▲圖1| 物理化學和HW-ACE提取方法原理圖

傳統的物理化學吸附方法有哪些局限性?

首先,由于海水中鈾濃度較低,吸附劑表面上的鈾酰離子擴散速度很慢。
其次,吸附的陽離子是帶正電的,由于庫侖排斥力的影響,因此會拒絕吸入的鈾酰離子,很大一部分的表面活性位點將無法進入 (圖1a)。
最后,其他的陽離子,如鈉和鈣,濃度比鈾的高多個量級,這導致了對吸附活性位點的強烈競爭。當不需要的化合物被吸附在吸附劑表面時,將會阻止活性位點從而減少鈾聚集的能力(圖1b)。

半波整流交流電的電化學(HW-ACE)方法有哪些優點? (圖1c)顯示,使用該種方法鈾提取過程的五個步驟:

在步驟1中,所有離子隨機分布在水溶液中。
在步驟2中,當負偏壓被應用時,陽離子和陰離子開始在外部電場的影響下遷移,并在偕胺肟電極表面形成一個雙電荷層(EDL)。雙電荷層內層的鈾酰離子可以形成對電極表面的螯合。
在步驟3中,鈾化合物進一步減少,電沉積為電中性鈾化合物,如UO2。
在步驟4中,當移除偏壓時,只有鈾酰離子和電沉積的UO2附著在電極表面上。其他沒有特定結合的離子在電極表面重新分布,并釋放表面活性位點。
在步驟5中,隨著重復循環,進一步的鈾酰離子附著在電極表面上,而沉積的UO2可以生成更大的顆粒。

圖2顯示的是碳-偕胺肟電極性能,以及物理化學法和HW-ACE法對鈾提取的可視化差異。

a, 掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示碳-偕胺肟電極的形態
b, 掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示碳-偕胺肟電極的活性碳表面和偕胺肟的聚合物。插圖顯示在高倍鏡下表面涂層的多孔結構。
c, 碳-偕胺肟電極的FTIR(傅立葉變換紅外光譜儀)譜圖
d, 填加10ppm和1000ppm的硝酸鈾酰的海水與未經處理的原態海水的循環伏安對比曲線圖
e, 該原理圖顯示了包含在絕緣石英基底上的平行Pt lines和上面涂有一薄層的偕胺肟聚合物的圖形電極。
還顯示了相應的SEM圖像。圖形Pt 電極上的Pt和U 能譜儀元素分析圖上涂有偕胺肟薄膜,表明鈾分布與Pt的圖形相匹配,表明HW-ACE方法較傳統的物理化學方法具有更好的提取性。所有圖像的比例都是一樣的。

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