Китайские исследовательские группы разработали новые адсорбционные материалы для извлечения урана из морской воды

2 сентября из Циндаоского института биоэнергетики и биопроцессов Академии наук Китая (далее — «Циндаоский институт энергетики») стало известно, что исследовательская группа института в последнее время добилась серии успехов в области материалов для извлечения урана из морской воды. Группа впервые применила дизайн топологии дискретных молекул в системе пористых органических клеток, синтезировала фосфат-функционализированный материал PhosCage, а затем, комбинируя его с арамидными нановолокнами, получила композитные аэрогельные микросферы AC-POC, обладающие высокой селективностью, высокой ёмкостью и устойчивостью к биообрастанию. Соответствующие результаты опубликованы в международных научных журналах Journal of Hazardous Materials и Separation and Purification Technology.

В глубинах океана скрывается огромное «хранилище урана», но как экономично и эффективно «добывать уран» из него — это мировая проблема. Уран в морской воде существует в основном в форме уранил-ионов, концентрация которых крайне низка, и сопровождается большим количеством других ионов металлов и микроорганизмов. Традиционные адсорбционные материалы часто «захватывают не ту цель» или подвергаются помехам из-за прикрепления микроорганизмов. Поэтому разработка адсорбционных материалов с высокой селективностью, высокой ёмкостью и устойчивостью к биообрастанию является ключом к практическому применению извлечения урана из морской воды.

Группа Циндаоского института энергетики предложила стратегию дизайна топологии дискретных молекул, направленно сконструировав фосфатные адсорбционные кластеры в межслойном нанопространстве пористых органических клеток, и получила первый пример фосфат-функционализированного материала на основе пористых органических клеток — PhosCage. В лабораторных условиях PhosCage достигает адсорбционного равновесия всего за 5 минут; в реальных образцах морской воды из нескольких районов океана его максимальная ёмкость по извлечению урана достигает 50,4 мг/г, что в 8,4 раза превышает соответствующий базовый показатель Министерства энергетики США.

Чтобы этот материал можно было реально использовать в морской инженерии, необходимо также решить проблемы сложности развёртывания порошковых материалов и прикрепления микроорганизмов. Для этого группа скомбинировала PhosCage с арамидными нановолокнами и, используя синергию физического переплетения и химического сшивания, в промышленных масштабах получила двухсетчатые композитные аэрогельные микросферы AC-POC. Внутри микросфер имеются сообщающиеся поровые каналы, а переплетающиеся внутри фосфатные и карбоксильные группы создают мощную синергетическую донорно-электронную координационную среду, эффективно снижающую энергетический барьер координации уранил-ионов, то есть энергетический порог, который необходимо преодолеть до начала химической реакции. Это облегчает протекание реакции захвата, тем самым повышая эффективность захвата уранил-ионов.

Исследования показывают, что в многокомпонентной конкурентной системе AC-POC демонстрирует высокую селективность; после 15 дней непрерывной работы в природной морской воде его динамическая ёмкость по извлечению урана составляет 22,55 мг/г, что в 3,8 раза превышает соответствующий базовый показатель Министерства энергетики США. Кроме того, отрицательный заряд поверхности микросфер подавляет прикрепление микроорганизмов и образование биоплёнок, что способствует повышению стабильности материала в реальной морской среде.

Данное исследование заполняет пробел в области применения материалов на основе пористых органических клеток для извлечения урана из морской воды, а также закладывает теоретическую и инженерную основу для проектирования устойчивых адсорбционных материалов для извлечения урана из морской воды с высокой устойчивостью к биообрастанию, высокой селективностью и высокой ёмкостью.