Wetenschappers hebben een nieuw bio-geïnspireerd materiaal gedemonstreerd voor een milieuvriendelijke en kosteneffectieve benadering voor het terugwinnen van uranium uit zeewater.

Een onderzoeksteam van het Department of Energy's Oak Ridge en Lawrence Berkeley National Laboratories, de Universiteit van Californië - Berkeley, en de Universiteit van Zuid-Florida ontwikkelde een materiaal dat selectief opgelost uranium bindt met een goedkoop polymeeradsorptiemiddel. De resultaten, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , zou kunnen helpen knelpunten in de kosten en efficiëntie van de winning van uraniumbronnen uit oceanen voor duurzame energieproductie te omzeilen.

"Onze aanpak is een belangrijke stap voorwaarts, "Zei co-auteur Ilja Popovs van ORNL's Chemical Sciences Division. "Ons materiaal is op maat gemaakt voor het selecteren van uranium boven andere metalen die aanwezig zijn in zeewater en kan gemakkelijk worden gerecycled voor hergebruik, waardoor het veel praktischer en efficiënter is dan eerder ontwikkelde adsorbentia."

Popovs liet zich inspireren door de chemie van ijzerhongerige micro-organismen. Microben zoals bacteriën en schimmels scheiden natuurlijke verbindingen die bekend staan ​​als "sideroforen" om essentiële voedingsstoffen zoals ijzer uit hun gastheren te hevelen. "We hebben in wezen een kunstmatige siderofoor gemaakt om de manier te verbeteren waarop materialen uranium selecteren en binden, " hij zei.

Het team gebruikte computationele en experimentele methoden om een ​​nieuwe functionele groep te ontwikkelen die bekend staat als "H ₂ BHT"-2, 6-bis[hydroxy(methyl)amino]-4-morfolino-1, 3, 5-triazine - dat bij voorkeur uranylionen selecteert, of in water oplosbaar uranium, over concurrerende metaalionen van andere elementen in zeewater, zoals vanadium.

De fundamentele ontdekking wordt ondersteund door de veelbelovende prestaties van een proof-of-principle H ₂ BHT polymeer adsorbens. Uranylionen worden gemakkelijk "geadsorbeerd, " of gebonden aan het oppervlak van de vezels van het materiaal vanwege de unieke chemie van H ₂ BHT. Het prototype onderscheidt zich tussen andere kunststoffen voor het vergroten van de opslagruimte voor uranium, waardoor een zeer selectief en recyclebaar materiaal wordt verkregen dat uranium efficiënter terugwint dan eerdere methoden.

Met een praktische herstelmethode, zoutwaterwinning biedt een duurzaam alternatief voor landmijnbouw uranium dat de productie van kernenergie voor millennia zou kunnen ondersteunen.

Uraniumafzettingen zijn overvloedig en aanvulbaar in zeewater door de natuurlijke erosie van ertshoudende rotsen en grond. Ondanks verdunde concentraties, ongeveer 3 milligram uranium per ton zeewater, de oceanen van de wereld bevatten enorme voorraden van het element van in totaal naar schatting vier miljard ton - een 1000 keer groter aanbod dan alle landbronnen samen.

De ontwikkeling van efficiënte uraniumadsorptiemiddelen om deze potentiële hulpbron te benutten, echter, is een ongrijpbare zoektocht sinds de jaren zestig.

"Het doel is om tegen lage kosten efficiënte adsorberende materialen te ontwikkelen die onder milde omstandigheden kunnen worden verwerkt om uranium terug te winnen. en ook hergebruikt voor meerdere extractiecycli, " zei Alexander Ivanov van ORNL, die computationele studies van H . uitgevoerd ₂ BHT.

Ondersteund door het Fuel Cycle Research and Development-programma van het DOE Office of Nuclear Energy, het team heeft zich gericht op het bepalen van de onderliggende factoren die de selectiviteit beïnvloeden en het volume van winbaar uranium vergroten met nieuwe materialen.

Eerdere onderzoeken naar op amidoxim gebaseerde verbindingen onthulden een fundamenteel sterkere aantrekkingskracht op vanadium dan uranium, die misschien moeilijk te overwinnen is. De ontwikkeling van H ₂ BHT biedt een alternatieve aanpak, het gebruik van niet-amidoximmaterialen, om uranium beter te richten in omgevingen met gemengde metalen wateren.

Selectiviteit is lange tijd een struikelblok geweest op de weg naar efficiëntere adsorberende materialen. vroege vorderingen, gedreven door vallen en opstaan, gevonden op amidoxim gebaseerde functionele groepen effectief uranium in water binden, maar nog beter vanadium terugwinnen, hoewel de laatste een relatief lagere concentratie in zeewater heeft.

"Het resultaat is dat op amidoxim gebaseerde materialen, de huidige koplopers voor in de handel verkrijgbare adsorbentia, sneller vol raken met vanadium dan uranium, die moeilijk en kostbaar te verwijderen is, zei Popovs.

De sterk geconcentreerde zure oplossingen die worden gebruikt om vanadium te verwijderen, zijn duurder in vergelijking met milde of basische verwerkingsoplossingen en worden belast door bijtende afvalstromen. Bovendien, zuurverwerking kan materiële vezels beschadigen, wat hun hergebruik beperkt, commerciële adoptie onbetaalbaar maken.

"Om als een opgeschaald concept te werken, ideaal, ongewenste elementen zouden niet worden geadsorbeerd of kunnen gemakkelijk worden verwijderd tijdens de verwerking en het materiaal wordt meerdere keren hergebruikt om de verzamelde hoeveelheid uranium te maximaliseren, zei Popovs.

In tegenstelling tot met vanadium beladen materialen, de H ₂ BHT-polymeer kan worden verwerkt met milde basisoplossingen en worden gerecycled voor langdurig hergebruik. De milieuvriendelijke kenmerken brengen ook aanzienlijke kostenvoordelen met zich mee voor potentiële toepassingen in de echte wereld.

De volgende stap, zeggen onderzoekers, is om de aanpak te verfijnen voor meer efficiëntie en kansen op commerciële schaal. Het tijdschriftartikel is gepubliceerd als "Siderophore-Inspired Chelator Hijacks Uranium from Aqueous Medium."