20 января 2022

Ученые ORNL создали в 20 раз более эффективную природоподобную пористую мембрану для морской экстракции урана

Atomic-Energy.ru
Биологическое вдохновение и схема биоинспирированной иерархической пористой мембраны. A. Иерархические сети кровеносных сосудов в живых организмах. B. Модель на основе разветвленных трубок, вдохновленная кровеносной системой млекопитающих. Увеличение числа точек разветвления при уменьшении диаметра ветвей позволяет эффективно переносить вещества при низких затратах энергии. C. Схематическая иллюстрация иерархической пористой мембраны на основе биоинспирированного материала. Она содержит поры с размерами трех различных масштабов, включая внутренние микропоры. D. Принцип работы иерархической пористой мембраны для адсорбции урана. Функционализация амидоксимом обеспечивает специфические места связывания

Международное агентство по атомной энергии ожидает значительного роста атомной генерации в ближайшие десятилетия – до 82 процентов к 2050 году. Это приведет к росту спроса на уран, который, возможно, не смогут удовлетворить имеющиеся сейчас запасы на суше.

В то же время мировой океан содержит по меньшей мере в 500 раз больше урана, чем все известные запасы на суше. Это означает, что в морской воде содержится более 4,5 миллиардов метрических тонн урана, хотя и в чрезвычайно разбавленной концентрации – 3,3 части на миллиард, и ученые из разных стран мира вот уже много лет пытаются найти эффективные способы его добычи.

Недавно ученые сообщили о разработке одного из наиболее эффективных материалов для выполнения этой задачи. Так, новая пористая мембрана впитывает в 20 раз больше урана из морской воды, чем ее ранее созданные предшественники. Когда исследователи прокачали через нее природную морскую воду, мембрана за четыре недели собрала более 9 миллиграммов урана на грамм материала, что больше, чем другие материалы для извлечения урана, о которых сообщалось ранее, смогли собрать за вдвое больший период времени.

По словам инженера-химика из Окриджской национальной лаборатории (ORNL) Костаса Цуриса, высокая способность мембраны улавливать уран привлекает к себе особое внимание и действительно превосходит своих предшественников. Что также действительно важно, особенно для морских условий, так это кинетика мембраны. Высокая скорость, с которой она захватывает уран, потребует более короткого времени погружения в морскую воду, что позволит избежать роста микробной пленки, которая портит материал. Это должно облегчить отделение извлеченного урана от мембраны и ее повторное использование.

Изобретатели этой усовершенствованной технологии черпали вдохновение в пористой структуре кровеносных сосудов, что привело их к созданию иерархической мембраны с порами разных размеров.

Костас Цурис и его коллеги работали над технологиями экстракции урана из морской воды в течение шести лет, начиная с 2011 года. Они использовали адсорбент – материал, который, в отличие от абсорбента с буквой "б", использует свою поверхность только для притягивания веществ на основе химической группы под названием амидоксим, впервые разработанной японскими исследователями в 1980-х годах. Амидоксим проявляет предпочтение к химическому связыванию с ионами урана, которые естественным образом встречаются в морской воде, по сравнению с другими конкурирующими ионами, которые также присутствуют, такими как железо, медь и кальций.

Ученые ORNL нанесли адсорбент на пластиковые волокна, сплели эти волокна в жгут и поместили жгут в морскую воду. Через восемь недель волокна собрали почти 8 мг/г урана.

В 2018 году исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) и LCW Supercritical Technologies сообщили об аналогичном покрытом амидоксимом волокне, которое извлекало около 5 мг/г урана, когда через него в лаборатории прокачивали морскую воду.

Некоторые команды недавно нанесли амидоксим на материалы с высокой площадью поверхности, такие как наноструктурные материалы или пористые мембраны, что делает больше мест доступными для адсорбции и увеличивает поглощение урана. Именно такой подход использовали Липинг Вен и коллеги из Китайской академии наук. Их исследование было недавно опубликовано в журнале Nature Sustainability.

Вдохновившись иерархической пористой структурой кровеносных сосудов и других органов, исследователи создали мембрану с порами разных размеров. Поры в свою очередь покрыты амидоксимом. Когда морская вода проходит через мембрану, уран и другие молекулы сначала быстро проходят через крупные поры шириной 20 микрометров, затем они попадают в более узкие каналы и в более мелкие поры размером 300-500 нм, где более медленная скорость позволяет урану связываться с амидоксимом. Такая многомасштабная конструкция позволяет воде быстро проходить через поры и максимизирует площадь поверхности для адсорбции.

В лаборатории исследователи прокачивали раствор с концентрацией урана 32 промилле через новую мембрану и другие с равномерными порами. Новая мембрана извлекла в 20 раз больше урана.

Затем они поместили 10-граммовую мембрану между двумя кусками губки в трубку и непрерывно прокачивали через нее природную морскую воду. За одну неделю мембрана накопила 6,63 мг/г урана, а через четыре недели достигла 9,03 мг/г. Исследователи смогли извлечь уран и повторно использовать мембрану пять раз без потери ее экстракционной способности.

По словам Костаса Цуриса, испытания мембраны, конечно же, далее будут проводиться в реальных морских условиях. Это покажет, насколько стабильна мембрана и насколько она устойчива к микробному загрязнению. Кроме того, ее нужно будет просто подвесить. Перекачивать морскую воду через мембраны не имеет практического смысла. 

"Чтобы извлечь соответствующее количество урана из морской воды, нам нужно переработать большое количество воды", - говорит он, - "Если мы начнем перекачивать такое количество, то энергия, которую мы потратим на этот процесс, будет больше, чем энергия, которую мы получим от урана".