海水提鈾的先進材料與試驗裝置的研究進展

陳戲三++何琳++戴波

摘 要：近年來，隨著核電事業(yè)和核技術的迅速發(fā)展，已經將鈾礦資源的開發(fā)和利用提高到一個異常高度。海水中含有約45億t的鈾礦，如何從這浩瀚無垠的海洋中，高效提取鈾礦資源無疑成為科研工作者關注的熱點話題。然而制備具有良好機械穩(wěn)定性、高選擇性、大比表面積、高吸附效率的吸附材料已成為從海水中提取鈾的關鍵技術。以偕胺肟基為功能基的吸附材料和HiCap材料已經成為從海水中提取鈾的理想材料，同時結合海水中提取鈾試驗裝置的結構和運行特性，進一步展示了海水提鈾的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：海水提鈾 偕胺肟基官能團 HiCap 試驗裝置

中圖分類號：TL21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（b）-0083-02

Research Progress of Extraction Uranium by Using Advanced Materials and Adsorption Experimental Systems from Sea-water

Chen Xisan* He Lin Dai Bo

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu Sichuan，610005，China）

Abstract：Adsorbent materials having excellent mechanical stability， high selectivity， high specific surface area and high adsorption capacity have been extracted uranium from seawater， which is critical technology. In this review， some adsorbents which have amidoxime group and HiCap property are considered to the ideal adsorbent materials extracting uranium from seawater. Moreover，the structure and adsorption performance of extraction uranium experimental systems are also reviewed， which shows further the development trend on extracting uranium from seawater.

Key Words：Extracting uranium from seawater；Amidoxime group；HiCap；Experimental systems

隨著核電事業(yè)飛速發(fā)展，對鈾資源呈現出更為迫切的需求。目前已探明，全球的鈾礦資源只有約459萬t，因此全球著名的專家開始預言，低成本的鈾礦僅能供給現有全球性核電站使用60～70年而已[1]。面對這一艱巨的現實需求，從20世紀60年代起，日本開始研究如何從海水中高效提取鈾礦。隨后，世界上的諸多發(fā)達國家，諸如美國、法國、瑞典、德國等均紛紛投入到從海水中提取鈾礦資源領域。比較遺憾的是截止到現在，世界上還沒有任何一個國家能夠成功研制出具有商業(yè)性的海水提取鈾礦資源的技術。通常認為，海水中鈾礦資源的質量濃度約為0.33 mg/L，其總量達45億t，相當于陸地礦石中鈾含量的1 000多倍[2]。基于鈾礦資源的稀缺性和特殊的戰(zhàn)略價值，從海水中提取鈾礦資源對我國核電事業(yè)的發(fā)展具有極其重要的現實意義。

海水中的鈾主要是以三碳酸鈾酰絡離子[UO2（CO3）3]4-存在的，海水的pH值約為8.1，偏弱堿性，在這種情況下鈾離子很容易就會與碳酸根離子形成更為穩(wěn)定的絡合離子。從20世紀60年代開始，人們就開始研究采用多種方法來回收鈾資源，其中以浮選法、化學沉淀法、吸附法、離子交換法、超導磁分離法、生物處理法、膜處理法較為居多[3，4]，吸附法是目前最適宜和研究最多的方法之一[5]。采用吸附法從海水中提取鈾礦的關鍵問題是研究開發(fā)出高選擇性、良好機械穩(wěn)定性、高吸附效率的吸附劑材料?；诖耍壳笆澜缟显S多發(fā)達國家都在致力于從海水中提取鈾礦資源的新型材料開發(fā)上，期望尋求突破。

1 新型材料的研制

1.1 偕胺肟功能基吸附材料

近年來日本從海水中提取鈾礦，主要集中在以偕胺肟基[-CN（NH2）OH]為官能基的材料上[6]，因為它能夠與海水中的三碳酸鈾酰絡離子發(fā)生螯合作用，具有巨大的開發(fā)潛力，這類化合物主要是靠C=N雙鍵上的成鍵電子以及C—N中的N上的孤對電子與[UO2（CO3）3]4-發(fā)生相互作用，進而發(fā)生螯合作用吸附海水中鈾離子，通常是將這些含有胺肟基的化合物制成樹脂或纖維等形狀。此外，日本廣島大學工學部[7，8]設計出了填充纖維形狀的偕胺肟基吸附劑，在海水進行試驗，將直徑為4 m，高度為0.15 m的圓盤狀吸鈾器，在每間隔10 m的距離浮吊了100個，來研究該吸附劑材料最佳填充密度與最大吸鈾量之間的關系。日本科學家Tamada[9]采用輻射接枝法制備出偕胺肟基的聚乙烯纖維，該材料具有較好的可塑性和機械強度，能夠在海洋中進行有效固定。纖維狀的吸附劑具有的優(yōu)點是機械強度高，便于配合吸附裝置操作，有效實現了工業(yè)化。

1.2 HiCap 吸附劑材料

美國能源部橡樹嶺（Oak Ridge）和佛羅里達希爾公司（Hills）的研發(fā)工作者開發(fā)出一種高容量吸附劑材料，結合聚乙烯纖維素的優(yōu)點，將二者進行有序合成，制備出HiCap吸附材料[10]，能夠快速從海水中提取鈾，有效地推進了海水提取鈾，進而實現了工業(yè)化。HiCap材料通常是由圓形纖維所構成，由于這些纖維直徑非常小，該吸附劑具有良好的機械特性和高比表面積。將HiCap吸附劑材料放在含有鈾的水溶液中，鈾離子能夠迅速且優(yōu)先被吸附，采用常用的酸洗脫方式就能將吸附的鈾離子解析下來。最后，采用氫氧化鉀對該吸附材料予以處理，能夠使其得到再生利用。

2 從海水中提鈾的試驗裝置

2.1 堆積型吸附劑系統(tǒng)的海水提鈾試驗

自日本高崎研究所的團隊成功制備偕胺肟基纖維材料后，堆積型的吸附劑就實施從海水中提取鈾礦。該試驗裝置系統(tǒng)由一個浮動式框架和3個吸附床共同組成，框架通過纜繩與置于海底約40 t重的錨鏈接而保持穩(wěn)定[11]。每個吸附床裝144個吸附劑，每個吸附劑由120張纖維布組成，每層之間由墊片與螺母隔開。此外，將吸附床懸掛于浮動式框架之下，位于海平面20 m的深處。

2.2 束編型吸附劑系統(tǒng)的海水提鈾試驗

為了進一步降低海水提鈾成本，日本高崎研究所的研發(fā)團隊開發(fā)了束編型吸附劑并進行了海洋試驗，吸附劑的長度是依據海水深度而確定的。將已經加工好的束編型吸附劑豎直地放入大海，底部固定在由無線電波控制的海底的錨上。放置的吸附劑距離海平面至少50 m，在束編型材料吸附鈾礦之后，使用無線電波使吸附劑與錨相分離，自動浮動到海面上通過打撈進行回收。

3 結語

近年來，從海水中提取鈾礦資源已取得了重大進展。主要還是選用以偕胺肟基為官能團的纖維，與鈾酰離子絡合后的偕胺肟基官能團經酸洗后，可以很容易地將鈾酰離子從合成的先進材料上解吸下來。此外，日本在海水提鈾的試驗裝置研制方面已經取得了較好的業(yè)績，現已投入到了半工業(yè)化生產階段。另外，為了進一步降低成本和提高效益，可以直接利用自然界能，諸如波浪能、海流能等形式，開發(fā)出具有更高吸附效率的試驗裝置提取系統(tǒng)。

參考文獻

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