納米功能膜助力海水提鈾試驗(yàn)成功 或?qū)榫徑狻扳櫪Ь场碧峁┬峦緩?/h2>
來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)

一根1米高的圓柱工業(yè)膜組件,其有效吸附面積相當(dāng)于一個(gè)足球場(chǎng),全生命周期可吸附提取600克的鈾。

30萬(wàn)噸海水中才含有1公斤鈾,提取難度遠(yuǎn)超“沙里淘金”。世界各國(guó)一直致力于尋找可大規(guī)模實(shí)施的海水提鈾產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)。但年來(lái)海水提鈾由于成本過(guò)高受到社會(huì)質(zhì)疑,工程化海水提鈾的低成本解決方案甚少,更多研究成果僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

日,國(guó)際歐亞科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院(以下簡(jiǎn)稱上海高研院)綠色化學(xué)工程技術(shù)研究與發(fā)展中心姜標(biāo)研究員團(tuán)隊(duì),歷經(jīng)10年研究,通過(guò)創(chuàng)制納米纖維功能膜,成功開(kāi)展了公斤級(jí)海水提鈾試驗(yàn)。這是我國(guó)首次基于功能納米膜的最大規(guī)模海水提鈾試驗(yàn),將有效推進(jìn)我國(guó)海水提鈾從實(shí)驗(yàn)室走向海洋,或?qū)榫徑馕覈?guó)的“鈾困境”提供新途徑。

大海“撈”鈾并非易事

鈾是核能事業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略原材料,而陸地鈾的總儲(chǔ)量?jī)H夠人類使用幾十年,海水中賦存了約40億噸鈾,是陸地儲(chǔ)量的1000倍。

但從大海“撈”鈾并非易事,海水提鈾已成為極具挑戰(zhàn)的科技難題。姜標(biāo)介紹說(shuō),一是海水中鹽分高、成分非常復(fù)雜,而且海洋微生物對(duì)材料破壞較大;二是海水中鈾濃度非常低。此外,成本高一直是海水提鈾難以解決的問(wèn)題,吸附材料的突破和海洋工程技術(shù)成為兩個(gè)關(guān)鍵制約因素。

為此,姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)基于靜電紡絲技術(shù),成功制備了鈾吸附速率快、吸附容量高、離子選擇好的納米纖維功能膜。10年間,他們完成了從實(shí)驗(yàn)室膜片到工業(yè)膜組件的批量生產(chǎn),開(kāi)展了上百次模擬循環(huán)吸附、脫附工藝驗(yàn)證。

年來(lái),美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了一種新型鈾吸附劑,在海水中吸附能力約3.94克/千克。姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的鈾吸附劑,其模擬溶液中的吸附能力是美國(guó)這一新型吸附材料的8.8倍。“我們研發(fā)的納米纖維功能膜,強(qiáng)度和通透很強(qiáng),可反復(fù)使用,使用壽命長(zhǎng)。”姜標(biāo)表示,“一根1米高的圓柱工業(yè)膜組件,其有效吸附面積相當(dāng)于一個(gè)足球場(chǎng),全生命周期可吸附提取600克的鈾。”

“除了吸附能好,這種納米膜的離子選擇也需要極佳。納米膜僅對(duì)鈾離子選擇通過(guò),對(duì)海水中鈣、鎂等其他20多種金屬離子則不予‘理睬’。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一、上海高研院副研究員李繼香說(shuō)。

研究團(tuán)隊(duì)先在青海省察爾汗鹽湖開(kāi)展試驗(yàn)。雖然試驗(yàn)成功,但湖上的基礎(chǔ)設(shè)施因鹽濃度過(guò)高而損毀,他們投放了10個(gè)膜組件,只收回2個(gè)。但是這次小范圍試驗(yàn)為后期研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展海水提鈾奠定了信心。

有望5年完成噸級(jí)試驗(yàn)

我國(guó)核電的快速發(fā)展,使得鈾的年需求量將超過(guò)萬(wàn)噸,而我國(guó)鈾年產(chǎn)量?jī)H千噸,缺口很大。我國(guó)迄今尚未建立海水提鈾工廠。海試試驗(yàn)是海水提鈾工業(yè)化的關(guān)鍵,也是海水提鈾能否成功的試金石。

為了讓海水提鈾技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室,研究團(tuán)隊(duì)已建成年產(chǎn)8萬(wàn)方米的功能納米膜生產(chǎn)線。2018年首次在東海海域?qū)嵤┝撕K徕櫴痉?,?個(gè)月內(nèi)成功獲得20克天然鈾。2019年11月,姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)借助產(chǎn)學(xué)研合作的形式,在南海海域建設(shè)了納米膜公斤級(jí)海水提鈾試驗(yàn)臺(tái)以及配套洗脫臺(tái),完成了100余支膜組件的海試投放和循環(huán)吸附試驗(yàn)。同時(shí),研究團(tuán)隊(duì)建立了完整的鈾吸附、洗脫、活化技術(shù)體系,并進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估。

海洋工程成本高是姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展海試試驗(yàn)亟須突破的一道大“坎”。姜標(biāo)坦言,真正海試試驗(yàn)并不容易。要建設(shè)海試試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施需要花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)元,實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)常常捉襟見(jiàn)肘,這需要探索產(chǎn)學(xué)研合作模式,社會(huì)各方攜手突破產(chǎn)業(yè)化難題。

此外,臺(tái)風(fēng)、氣候等因素也會(huì)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生影響,海洋污染物對(duì)材料的影響尤其嚴(yán)重。為此,他們不得不重新回到實(shí)驗(yàn)室,改進(jìn)材料,提高其抗污染能力?;谀壳昂T囋囼?yàn)的進(jìn)展,團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了海水中提取鈾產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)能力,下一步團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步聚焦提升產(chǎn)能。

我國(guó)已經(jīng)明確海水提鈾路線圖,鈾資源開(kāi)發(fā)從陸地轉(zhuǎn)向海洋,已成為現(xiàn)實(shí)訴求。那么海水提鈾何時(shí)從公斤級(jí)躍升到噸級(jí)?目前,研究團(tuán)隊(duì)正聯(lián)合中核集團(tuán)旗下核電運(yùn)行研究(上海)有限公司,完善海洋工程實(shí)施技術(shù)。

2017年,該團(tuán)隊(duì)從海水提鈾的成本是500美元/公斤至1000美元/公斤,現(xiàn)在降到了約150美元/公斤,已接目前國(guó)際上陸地提取鈾礦的130美元/公斤。“我們從海水提鈾的成本還將有很大下降的空間,預(yù)計(jì)再過(guò)五至六年,有望與陸地提鈾的成本持,屆時(shí)有望完成噸級(jí)試驗(yàn)。”姜標(biāo)說(shuō)。

標(biāo)簽: 海水提鈾 鈾困境 試驗(yàn) 納米 纖維 功能膜

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