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納米功能膜助力海水提鈾試驗成功或將為緩解“鈾困境”提供新途徑

2021-07-07 10:03:08 來源：科技日報

一根1米高的圓柱工業膜組件，其有效吸附面積相當于一個足球場，全生命周期可吸附提取近600克的鈾。

30萬噸海水中才含有1公斤鈾，提取難度遠超“沙里淘金”。世界各國一直致力于尋找可大規模實施的海水提鈾產業應用技術。但近年來海水提鈾由于成本過高受到社會質疑，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驗室階段。

近日，國際歐亞科學院院士、中國科學院上海高等研究院（以下簡稱上海高研院）綠色化學工程技術研究與發展中心姜標研究員團隊，歷經近10年研究，通過創制納米纖維功能膜，成功開展了公斤級海水提鈾試驗。這是我國首次基于功能納米膜的最大規模海水提鈾試驗，將有效推進我國海水提鈾從實驗室走向海洋，或將為緩解我國的“鈾困境”提供新途徑。

大海“撈”鈾并非易事

鈾是核能事業發展的戰略性原材料，而陸地鈾的總儲量僅夠人類使用幾十年，海水中賦存了約40億噸鈾，是陸地儲量的近1000倍。

但從大海“撈”鈾并非易事，海水提鈾已成為極具挑戰性的科技難題。姜標介紹說，一是海水中鹽分高、成分非常復雜，而且海洋微生物對材料破壞性較大；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題，吸附材料的突破和海洋工程技術成為兩個關鍵制約因素。

為此，姜標團隊基于靜電紡絲技術，成功制備了鈾吸附速率快、吸附容量高、離子選擇性好的納米纖維功能膜。近10年間，他們完成了從實驗室膜片到工業膜組件的批量生產，開展了上百次模擬循環吸附、脫附工藝驗證。

近年來，美國能源部橡樹嶺國家實驗室發展了一種新型鈾吸附劑，在海水中吸附能力約3.94克/千克。姜標團隊研發的鈾吸附劑，其模擬溶液中的吸附能力是美國這一新型吸附材料的近8.8倍。“我們研發的納米纖維功能膜，強度和通透性很強，可反復使用，使用壽命長。”姜標表示，“一根1米高的圓柱工業膜組件，其有效吸附面積相當于一個足球場，全生命周期可吸附提取近600克的鈾。”

“除了吸附性能好，這種納米膜的離子選擇性也需要極佳。納米膜僅對鈾離子選擇性通過，對海水中鈣、鎂等其他20多種金屬離子則不予‘理睬’。”項目負責人之一、上海高研院副研究員李繼香說。

研究團隊先在青海省察爾汗鹽湖開展試驗。雖然試驗成功，但湖上的基礎設施因鹽濃度過高而損毀，他們投放了10個膜組件，只收回2個。但是這次小范圍試驗為后期研究團隊開展海水提鈾奠定了信心。

有望5年完成噸級試驗

我國核電的快速發展，使得鈾的年需求量將超過萬噸，而我國鈾年產量僅千噸，缺口很大。我國迄今尚未建立海水提鈾工廠。海試試驗是海水提鈾工業化的關鍵，也是海水提鈾能否成功的試金石。

為了讓海水提鈾技術走出實驗室，研究團隊已建成年產8萬平方米的功能納米膜生產線。2018年首次在東海海域實施了海水提鈾示范，在1個月內成功獲得近20克天然鈾。2019年11月，姜標團隊借助產學研合作的形式，在南海海域建設了納米膜公斤級海水提鈾試驗平臺以及配套洗脫平臺，完成了100余支膜組件的海試投放和循環吸附試驗。同時，研究團隊建立了完整的鈾吸附、洗脫、活化技術體系，并進行了技術經濟性評估。

海洋工程成本高是姜標團隊開展海試試驗亟須突破的一道大“坎”。姜標坦言，真正海試試驗并不容易。要建設海試試驗基礎設施需要花費數百萬元，實驗室經費常常捉襟見肘，這需要探索產學研合作模式，社會各方攜手突破產業化難題。

此外，臺風、氣候等因素也會對試驗平臺產生影響，海洋污染物對材料的影響尤其嚴重。為此，他們不得不重新回到實驗室，改進材料，提高其抗污染能力。基于目前海試試驗的進展，團隊實現了海水中提取鈾產品的連續生產能力，下一步團隊將進一步聚焦提升產能。

我國已經明確海水提鈾路線圖，鈾資源開發從陸地轉向海洋，已成為現實訴求。那么海水提鈾何時從公斤級躍升到噸級？目前，研究團隊正聯合中核集團旗下核電運行研究（上海）有限公司，完善海洋工程實施技術。

2017年，該團隊從海水提鈾的成本是500美元/公斤至1000美元/公斤，現在降到了約150美元/公斤，已接近目前國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，預計再過五至六年，有望與陸地提鈾的成本持平，屆時有望完成噸級試驗。”姜標說。

標簽：海水提鈾鈾困境試驗納米纖維功能膜