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    鹽湖提鈾:鈾資源開發新途徑

    2018/1/10 10:42:04

    我國鈾礦資源較豐富,但大部分已探明的礦石品位不高,又面臨來自發達國家和發展中國家的對世界鈾資源利用的競爭,從長遠發展看,探尋和開拓非常規鈾資源將是戰略性選擇之一。非常規鈾資源中鹽湖、海洋等高鹽低鈾水體是最重要的非礦石鈾資源。
      全球海水中含鈾元素總量約4.5×109噸,海水中鈾的平均濃度為3.3μg/L,而我國擁有面積巨大的內陸鹽湖,其中青海、新疆等地的鹽湖水含鈾,鹽湖鈾資源潛力約為10.31萬噸。西藏達則措鹽湖中鈾濃度可達到324μg/L,青海湖水中鈾的濃度為18.3μg/L。可見,鹽湖中鈾濃度是海水中鈾濃度的幾倍甚至上百倍。我們針對海水提鈾研究進行了規劃,先以與海水組成相似的鹽湖為切入點,對高鹽低鈾水體提鈾進行探索并形成技術儲備,為海水提鈾提供技術支持。
      高選擇性鹽湖提鈾材料的研制
      從鹽湖和海水中提取鈾具有很大的挑戰性,國內外已經在鹽湖和海水中提取鈾的技術和方法方面取得了一定的進展,并展示出較好的前景。目前,在鹽湖和海水提鈾方法中,吸附法是研究最多的方法,也是最為可行的方法之一。而吸附法的關鍵是對提鈾材料的選擇。美國、日本、印度和我國均進行了大量的相關研究,但目前沒有一個國家達到產業化的水平,仍處于在提鈾材料研發階段。只有我國開展了鹽湖提鈾的研究工作,也處于鹽湖提鈾材料的研發階段。
      世界各國的研究雖取得了較大的突破和進展,但大部分吸附容量較高的數據都是通過對模擬溶液獲得的,在真實水體中材料的吸附容量都較低,并且有些吸附材料的制備成本也比較高。因此研制出性能優良的提鈾功能材料是開展鹽湖和海水提鈾研究的核心。
      通過調研分析發現,有人采用雙水楊醛縮鄰苯二胺衍生物改性硅膠用于低濃度鈾的熒光分析檢測證明,該材料對低濃度鈾具有較好的選擇性識別作用。鑒于此,早在2013年我們借助化學改性方式將苯胺功能基接枝到苯乙烯-二乙烯苯高分子骨架上,設計合成出苯胺功能高分子吸鈾材料,所制得的吸附材料通過紅外光譜和元素分析手段驗證了化學結構的正確性。
      首先我們將苯胺功能高分子吸鈾材料在模擬鹽湖溶液(鈾濃度約為0.3mg/L)進行靜態吸附試驗,測試其靜態鈾吸附容量。經過30天吸附后分析材料的鈾吸附容量。與其它材料相比,苯胺功能材料表現出了更好的鈾吸附選擇性,其吸附容量達1.17mgU/g材料。
      隨后,我們進行現場試驗驗證。材料現場驗證試驗選擇西藏達則措鹽湖,湖水礦化度為40.6g/L,平均鈾含量約為300μg/L,屬碳酸鹽型鹽湖。我們將吸附材料負載于自制的吸附裝置之上,并將其置于湖中并盡量保持吸附裝置在水面以下。在湖中放置3個月將其打撈上來,發現裝置表面除了少量泥沙外,還附著一層厚厚的黃色物質。取出負載的吸附劑用去離子水洗滌并干燥,吸附材料的鈾吸附容量為2.53mgU/g材料。
      抗生物附著提鈾材料概念的提出及研制
      在現場試驗過程中,吸附裝置和材料表面皆被黃色物質附著,該黃色物質會堵塞了吸附材料的孔道,干擾材料吸鈾過程,降低鈾吸附容量,并影響材料的重復使用性能。
      如何克服黃色物質污染?首先需知道黃色物質的所屬物種。借助偏光顯微鏡對裝置或材料上附著的黃色物質進行觀察如圖所示,發現為具有單細胞特征的藻類生物。經過調研并與藻類形態比對,基本確定為硅藻門植物。
      微生物附著的現象在日本、美國以及國內中國工程物理研究院和中科院上海應用物理研究所的海水提鈾現場試驗中也有出現。因此減少或避免生物附著情況的發生是鹽湖和海水提鈾研究過程中需要克服的難題之一。為此,2015年我們提出了抗生物附著提鈾材料的概念。抗生物附著提鈾材料是指在天然含鈾水體環境中,能夠減少或避免生物附著情況的發生,并對鈾酰離子具有一定的吸附或富集作用,實現鈾與其他物質分離的功能材料。
      抗生物附著提鈾材料不僅可以減少或避免生物附著情況的發生,提高材料的鈾吸附選擇性能,而且可以降低材料吸鈾后淋洗工序的復雜性,提高材料的重復使用性能。
      為此,2016年初我們設計借助化學改性方式將啉酮類化合物接枝到苯乙烯-二乙烯苯高分子骨架上,制得了啉酮功能高分子吸鈾材料,借助紅外光譜和元素分析等手段驗證了材料化學結構的正確性。異噻唑啉酮類化合物為使用最為廣泛的殺菌除藻劑之一,這類化合物可以有效殺滅水溶液中的藻類、細菌、霉菌等微生物。模擬鹽湖溶液中進行材料的鈾吸附性能測試,測得啉酮功能材料的鈾吸附容量為1.36mgU/g材料,比苯胺功能材料高。
      藻類和細菌等微生物具有相似的生存環境,都可在一定鹽溶液中成長生存。為了在室內條件下考察材料的抗生物附著性能,選擇細菌作為啉酮功能材料的附著物種進行試驗,并以苯胺功能材料進行對比。我們將啉酮和苯胺功能材料置于容器中并加入培養基,室溫30℃培養7天后,將吸附材料取出并利用顯微鏡觀察其細菌附著情況發現,啉酮功能材料具有更明顯的抗生物附著效果。
      總結與啟示
      經過幾年的研究和現場試驗,我們得出了一些初步的研究成果和結論。
      一是針對鹽湖高鹽度、低鈾濃度的特征,設計并合成出的苯胺功能高分子提鈾材料在西藏鹽湖中的鈾吸附容量達到2.53mg/g材料。在鹽湖現場試驗的研究結果是在國內外鹽湖提鈾領域首次報道。
      二是首次提出了研制抗生物附著材料的研究思路,創新性地提出了抗生物附著提鈾材料的概念,抗生物附著提鈾材料的研究對于鹽湖或海水提鈾研究具有積極的指導意義。
      三是研制出了抗生物附著提鈾材料——啉酮功能高分子吸鈾材料,其具有鈾吸附性能,并具有明顯抗生物附著特征。
      四是所研制的功能高分子材料具有良好性能,可為鹽湖鈾資源后續開發提供了材料和技術支持。但鹽湖或海水提鈾是復雜的、系統的革命性工程,尚處于研究的起步階段,須付出更多的艱辛和努力。
      近一段時間,我們的工作重點將主要放在抗生物附著提鈾材料的研制和現場性能驗證研究方面,在此方面有望獲得技術儲備,為海水提鈾實現工業應用提供技術支撐。(作者系核工業北京化工冶金研究院牛玉清 陳樹森;第一作者系該院副院長、總工程師)
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      啉酮功能提鈾材料抗生物附著機理
      啉酮功能高分子吸鈾材料中起抑菌作用的異噻唑啉酮基團能夠干擾了生物細胞局部粘連激酶酪氨酸的磷酸化作用。生物細胞結構上的某一個位點是對異噻唑啉酮暴露最敏感的部位,使細胞呼吸停頓,迅速阻止微生物的附著與生長。
     

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