30萬噸海水中才含有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(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(biāo)研究員團(tuán)隊，歷經(jīng)近十年研究，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(jìn)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，為推進(jìn)我國碳中和具有重大意義。

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(biāo)院士介紹說，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。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)鍵制約的因素。

為此，姜標(biāo)院士團(tuán)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(biāo)團(tuán)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(qiáng)度和通透性很強(qiáng)，可反復(fù)使用，使用壽命長。”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、鎂等其他二十多種金屬離子則不予‘理睬’。”項目負(fù)責(zé)人之一、上海高研院副研究員李繼香說。

研究團(tuán)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，只收回兩個。但是這次小范圍試驗為后期研究團(tuán)隊開展海水提鈾奠定了信心。

有望5年內(nèi)完成“噸級”實驗

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。(科技日報記者 王春)