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纳米功能膜出马,完成公斤级海中“捞”铀试验

来源:科技日报2021-07-07 09:52

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  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。但近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。

  近日,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,历经近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性原材料,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,是陆地储量的近1000倍。

  但从大海“捞”铀并非易事,海水提铀已成为极具挑战性的科技难题。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性较大;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、离子选择性好的纳米纤维功能膜。近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。

  近年来,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近8.8倍。“我们研发的纳米纤维功能膜,强度和通透性很强,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近600克的铀。”

  “除了吸附性能好,这种纳米膜的离子选择性也需要极佳。纳米膜仅对铀离子选择性通过,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8万平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个月内成功获得近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平台以及配套洗脱平台,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,并进行了技术经济性评估。

  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平台产生影响,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,已接近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平,届时有望完成吨级试验。”姜标说。(记者 王 春)

[ 责编:赵宇豪 ]
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