纳米功能膜助力海水提铀试验成功 或将为缓解“铀困境”提供新途径

来源:科技日报

一根1米高的圆柱工业膜组件,其有效吸附面积相当于一个足球场,全生命周期可吸附提取600克的铀。

30万吨海水中才含有1公斤铀,提取难度远超“沙里淘金”。世界各国一直致力于寻找可大规模实施的海水提铀产业应用技术。但年来海水提铀由于成本过高受到社会质疑,工程化海水提铀的低成本解决方案甚少,更多研究成果仅停留在实验室阶段。

日,国际欧亚科学院院士、中国科学院上海高等研究院(以下简称上海高研院)绿色化学工程技术研究与发展中心姜标研究员团队,历经10年研究,通过创制纳米纤维功能膜,成功开展了公斤级海水提铀试验。这是我国首次基于功能纳米膜的最大规模海水提铀试验,将有效推进我国海水提铀从实验室走向海洋,或将为缓解我国的“铀困境”提供新途径。

大海“捞”铀并非易事

铀是核能事业发展的战略原材料,而陆地铀的总储量仅够人类使用几十年,海水中赋存了约40亿吨铀,是陆地储量的1000倍。

但从大海“捞”铀并非易事,海水提铀已成为极具挑战的科技难题。姜标介绍说,一是海水中盐分高、成分非常复杂,而且海洋微生物对材料破坏较大;二是海水中铀浓度非常低。此外,成本高一直是海水提铀难以解决的问题,吸附材料的突破和海洋工程技术成为两个关键制约因素。

为此,姜标团队基于静电纺丝技术,成功制备了铀吸附速率快、吸附容量高、离子选择好的纳米纤维功能膜。10年间,他们完成了从实验室膜片到工业膜组件的批量生产,开展了上百次模拟循环吸附、脱附工艺验证。

年来,美国能源部橡树岭国家实验室发展了一种新型铀吸附剂,在海水中吸附能力约3.94克/千克。姜标团队研发的铀吸附剂,其模拟溶液中的吸附能力是美国这一新型吸附材料的8.8倍。“我们研发的纳米纤维功能膜,强度和通透很强,可反复使用,使用寿命长。”姜标表示,“一根1米高的圆柱工业膜组件,其有效吸附面积相当于一个足球场,全生命周期可吸附提取600克的铀。”

“除了吸附能好,这种纳米膜的离子选择也需要极佳。纳米膜仅对铀离子选择通过,对海水中钙、镁等其他20多种金属离子则不予‘理睬’。”项目负责人之一、上海高研院副研究员李继香说。

研究团队先在青海省察尔汗盐湖开展试验。虽然试验成功,但湖上的基础设施因盐浓度过高而损毁,他们投放了10个膜组件,只收回2个。但是这次小范围试验为后期研究团队开展海水提铀奠定了信心。

有望5年完成吨级试验

我国核电的快速发展,使得铀的年需求量将超过万吨,而我国铀年产量仅千吨,缺口很大。我国迄今尚未建立海水提铀工厂。海试试验是海水提铀工业化的关键,也是海水提铀能否成功的试金石。

为了让海水提铀技术走出实验室,研究团队已建成年产8万方米的功能纳米膜生产线。2018年首次在东海海域实施了海水提铀示范,在1个月内成功获得20克天然铀。2019年11月,姜标团队借助产学研合作的形式,在南海海域建设了纳米膜公斤级海水提铀试验台以及配套洗脱台,完成了100余支膜组件的海试投放和循环吸附试验。同时,研究团队建立了完整的铀吸附、洗脱、活化技术体系,并进行了技术经济评估。

海洋工程成本高是姜标团队开展海试试验亟须突破的一道大“坎”。姜标坦言,真正海试试验并不容易。要建设海试试验基础设施需要花费数百万元,实验室经费常常捉襟见肘,这需要探索产学研合作模式,社会各方携手突破产业化难题。

此外,台风、气候等因素也会对试验台产生影响,海洋污染物对材料的影响尤其严重。为此,他们不得不重新回到实验室,改进材料,提高其抗污染能力。基于目前海试试验的进展,团队实现了海水中提取铀产品的连续生产能力,下一步团队将进一步聚焦提升产能。

我国已经明确海水提铀路线图,铀资源开发从陆地转向海洋,已成为现实诉求。那么海水提铀何时从公斤级跃升到吨级?目前,研究团队正联合中核集团旗下核电运行研究(上海)有限公司,完善海洋工程实施技术。

2017年,该团队从海水提铀的成本是500美元/公斤至1000美元/公斤,现在降到了约150美元/公斤,已接目前国际上陆地提取铀矿的130美元/公斤。“我们从海水提铀的成本还将有很大下降的空间,预计再过五至六年,有望与陆地提铀的成本持,届时有望完成吨级试验。”姜标说。

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