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技术文章

盐湖提铀：铀资源开发新途径

2018/1/10 10:42:04

我国铀矿资源较丰富，但大部分已探明的矿石品位不高，又面临来自发达国家和发展中国家的对世界铀资源利用的竞争，从长远发展看，探寻和开拓非常规铀资源将是战略性选择之一。非常规铀资源中盐湖、海洋等高盐低铀水体是最重要的非矿石铀资源。
　　全球海水中含铀元素总量约4.5×109吨，海水中铀的平均浓度为3.3μg/L，而我国拥有面积巨大的内陆盐湖，其中青海、新疆等地的盐湖水含铀，盐湖铀资源潜力约为10.31万吨。西藏达则措盐湖中铀浓度可达到324μg/L，青海湖水中铀的浓度为18.3μg/L。可见，盐湖中铀浓度是海水中铀浓度的几倍甚至上百倍。我们针对海水提铀研究进行了规划，先以与海水组成相似的盐湖为切入点，对高盐低铀水体提铀进行探索并形成技术储备，为海水提铀提供技术支持。
　　高选择性盐湖提铀材料的研制
　　从盐湖和海水中提取铀具有很大的挑战性，国内外已经在盐湖和海水中提取铀的技术和方法方面取得了一定的进展，并展示出较好的前景。目前，在盐湖和海水提铀方法中，吸附法是研究最多的方法，也是最为可行的方法之一。而吸附法的关键是对提铀材料的选择。美国、日本、印度和我国均进行了大量的相关研究，但目前没有一个国家达到产业化的水平，仍处于在提铀材料研发阶段。只有我国开展了盐湖提铀的研究工作，也处于盐湖提铀材料的研发阶段。
　　世界各国的研究虽取得了较大的突破和进展，但大部分吸附容量较高的数据都是通过对模拟溶液获得的，在真实水体中材料的吸附容量都较低，并且有些吸附材料的制备成本也比较高。因此研制出性能优良的提铀功能材料是开展盐湖和海水提铀研究的核心。
　　通过调研分析发现，有人采用双水杨醛缩邻苯二胺衍生物改性硅胶用于低浓度铀的荧光分析检测证明，该材料对低浓度铀具有较好的选择性识别作用。鉴于此，早在2013年我们借助化学改性方式将苯胺功能基接枝到苯乙烯-二乙烯苯高分子骨架上，设计合成出苯胺功能高分子吸铀材料，所制得的吸附材料通过红外光谱和元素分析手段验证了化学结构的正确性。
　　首先我们将苯胺功能高分子吸铀材料在模拟盐湖溶液（铀浓度约为0.3mg/L）进行静态吸附试验，测试其静态铀吸附容量。经过30天吸附后分析材料的铀吸附容量。与其它材料相比，苯胺功能材料表现出了更好的铀吸附选择性，其吸附容量达1.17mgU/g材料。
　　随后，我们进行现场试验验证。材料现场验证试验选择西藏达则措盐湖，湖水矿化度为40.6g/L，平均铀含量约为300μg/L，属碳酸盐型盐湖。我们将吸附材料负载于自制的吸附装置之上，并将其置于湖中并尽量保持吸附装置在水面以下。在湖中放置3个月将其打捞上来，发现装置表面除了少量泥沙外，还附着一层厚厚的黄色物质。取出负载的吸附剂用去离子水洗涤并干燥，吸附材料的铀吸附容量为2.53mgU/g材料。
　　抗生物附着提铀材料概念的提出及研制
　　在现场试验过程中，吸附装置和材料表面皆被黄色物质附着，该黄色物质会堵塞了吸附材料的孔道，干扰材料吸铀过程，降低铀吸附容量，并影响材料的重复使用性能。
　　如何克服黄色物质污染？首先需知道黄色物质的所属物种。借助偏光显微镜对装置或材料上附着的黄色物质进行观察如图所示，发现为具有单细胞特征的藻类生物。经过调研并与藻类形态比对，基本确定为硅藻门植物。
　　微生物附着的现象在日本、美国以及国内中国工程物理研究院和中科院上海应用物理研究所的海水提铀现场试验中也有出现。因此减少或避免生物附着情况的发生是盐湖和海水提铀研究过程中需要克服的难题之一。为此，2015年我们提出了抗生物附着提铀材料的概念。抗生物附着提铀材料是指在天然含铀水体环境中，能够减少或避免生物附着情况的发生，并对铀酰离子具有一定的吸附或富集作用，实现铀与其他物质分离的功能材料。
　　抗生物附着提铀材料不仅可以减少或避免生物附着情况的发生，提高材料的铀吸附选择性能，而且可以降低材料吸铀后淋洗工序的复杂性，提高材料的重复使用性能。
　　为此，2016年初我们设计借助化学改性方式将啉酮类化合物接枝到苯乙烯-二乙烯苯高分子骨架上，制得了啉酮功能高分子吸铀材料，借助红外光谱和元素分析等手段验证了材料化学结构的正确性。异噻唑啉酮类化合物为使用最为广泛的杀菌除藻剂之一，这类化合物可以有效杀灭水溶液中的藻类、细菌、霉菌等微生物。模拟盐湖溶液中进行材料的铀吸附性能测试，测得啉酮功能材料的铀吸附容量为1.36mgU/g材料，比苯胺功能材料高。
　　藻类和细菌等微生物具有相似的生存环境，都可在一定盐溶液中成长生存。为了在室内条件下考察材料的抗生物附着性能，选择细菌作为啉酮功能材料的附着物种进行试验，并以苯胺功能材料进行对比。我们将啉酮和苯胺功能材料置于容器中并加入培养基，室温30℃培养7天后，将吸附材料取出并利用显微镜观察其细菌附着情况发现，啉酮功能材料具有更明显的抗生物附着效果。
　　总结与启示
　　经过几年的研究和现场试验，我们得出了一些初步的研究成果和结论。
　　一是针对盐湖高盐度、低铀浓度的特征，设计并合成出的苯胺功能高分子提铀材料在西藏盐湖中的铀吸附容量达到2.53mg/g材料。在盐湖现场试验的研究结果是在国内外盐湖提铀领域首次报道。
　　二是首次提出了研制抗生物附着材料的研究思路，创新性地提出了抗生物附着提铀材料的概念，抗生物附着提铀材料的研究对于盐湖或海水提铀研究具有积极的指导意义。
　　三是研制出了抗生物附着提铀材料——啉酮功能高分子吸铀材料，其具有铀吸附性能，并具有明显抗生物附着特征。
　　四是所研制的功能高分子材料具有良好性能，可为盐湖铀资源后续开发提供了材料和技术支持。但盐湖或海水提铀是复杂的、系统的革命性工程，尚处于研究的起步阶段，须付出更多的艰辛和努力。
　　近一段时间，我们的工作重点将主要放在抗生物附着提铀材料的研制和现场性能验证研究方面，在此方面有望获得技术储备，为海水提铀实现工业应用提供技术支撑。（作者系核工业北京化工冶金研究院牛玉清 陈树森；第一作者系该院副院长、总工程师）
　　链 接
　　啉酮功能提铀材料抗生物附着机理
　　啉酮功能高分子吸铀材料中起抑菌作用的异噻唑啉酮基团能够干扰了生物细胞局部粘连激酶酪氨酸的磷酸化作用。生物细胞结构上的某一个位点是对异噻唑啉酮暴露最敏感的部位，使细胞呼吸停顿，迅速阻止微生物的附着与生长。
 
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