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納米功能膜出馬,完成公斤級海中“撈”鈾試驗

2021-07-07 11:10  來源:科技日報  瀏覽:  

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(guī)模實施的海水提鈾產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)。但近年來海水提鈾由于成本過高受到社會質(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驗室階段。

近日,國際歐亞科學(xué)院院士、中國科學(xué)院上海高等研究院(以下簡稱上海高研院)綠色化學(xué)工程技術(shù)研究與發(fā)展中心姜標研究員團隊,歷經(jīng)近10年研究,通過創(chuàng)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(guī)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?qū)榫徑馕覈?ldquo;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(zhàn)性的科技難題。姜標介紹說,一是海水中鹽分高、成分非常復(fù)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(shù)成為兩個關(guān)鍵制約因素。

為此,姜標團隊基于靜電紡絲技術(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(yè)膜組件的批量生產(chǎn),開展了上百次模擬循環(huán)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(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。姜標團隊研發(fā)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(fā)的納米纖維功能膜,強度和通透性很強,可反復(fù)使用,使用壽命長。”姜標表示,“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(chǔ)設(shè)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(fā)展,使得鈾的年需求量將超過萬噸,而我國鈾年產(chǎn)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(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)走出實驗室,研究團隊已建成年產(chǎn)8萬平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徕櫴痉叮?個月內(nèi)成功獲得近20克天然鈾。2019年11月,姜標團隊借助產(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(huán)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(shù)體系,并進行了技術(shù)經(jīng)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(shè)海試試驗基礎(chǔ)設(shè)施需要花費數(shù)百萬元,實驗室經(jīng)費常常捉襟見肘,這需要探索產(chǎn)學(xué)研合作模式,社會各方攜手突破產(chǎn)業(yè)化難題。

此外,臺風、氣候等因素也會對試驗平臺產(chǎn)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(xiàn)了海水中提取鈾產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)能力,下一步團隊將進一步聚焦提升產(chǎn)能。

我國已經(jīng)明確海水提鈾路線圖,鈾資源開發(fā)從陸地轉(zhuǎn)向海洋,已成為現(xiàn)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(lián)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(shù)。

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(xiàn)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(yù)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。

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