Combinando la chimica fondamentale con risorse di calcolo ad alte prestazioni presso ORNL, i ricercatori dimostrano un metodo più efficiente per recuperare l'uranio dall'acqua di mare, svelando un prototipo di materiale che supera i migliori assorbenti di uranio della categoria. Credito:Alexander Ivanov/Laboratorio nazionale Oak Ridge, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Gli scienziati hanno dimostrato un nuovo materiale di ispirazione biologica per un approccio ecologico ed economico al recupero dell'uranio dall'acqua di mare.
Un gruppo di ricerca del Dipartimento di Energia Oak Ridge e Lawrence Berkeley National Laboratories, l'Università della California - Berkeley, e la University of South Florida ha sviluppato un materiale che lega selettivamente l'uranio disciolto con un adsorbente polimerico a basso costo. I risultati, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , potrebbe aiutare a superare i colli di bottiglia nel costo e nell'efficienza dell'estrazione delle risorse di uranio dagli oceani per la produzione di energia sostenibile.
"Il nostro approccio è un significativo balzo in avanti, " ha affermato il coautore Ilja Popovs della divisione di scienze chimiche dell'ORNL. "Il nostro materiale è fatto su misura per selezionare l'uranio rispetto ad altri metalli presenti nell'acqua di mare e può essere facilmente riciclato per il riutilizzo, rendendolo molto più pratico ed efficiente rispetto agli adsorbenti sviluppati in precedenza."
Popovs si ispirò alla chimica dei microrganismi affamati di ferro. I microbi come batteri e funghi secernono composti naturali noti come "siderofori" per sottrarre nutrienti essenziali come il ferro dai loro ospiti. "In sostanza abbiamo creato un sideroforo artificiale per migliorare il modo in cui i materiali selezionano e legano l'uranio, " Egli ha detto.
Il team ha utilizzato metodi computazionali e sperimentali per sviluppare un nuovo gruppo funzionale noto come "H 2 BHT"—2, 6-bis[idrossi(metil)ammino]-4-morfolino-1, 3, 5-triazina—che seleziona preferenzialmente gli ioni uranile, o uranio solubile in acqua, rispetto agli ioni metallici concorrenti di altri elementi nell'acqua di mare, come il vanadio.
La scoperta fondamentale è supportata dalle promettenti prestazioni di un proof-of-principio H 2 Adsorbente polimerico BHT. Gli ioni uranile sono prontamente "adsorbiti, "o legato alla superficie delle fibre del materiale a causa della chimica unica di H 2 BHT. Il prototipo si distingue tra gli altri materiali sintetici per aumentare lo spazio di stoccaggio dell'uranio, ottenendo un materiale altamente selettivo e riciclabile che recupera l'uranio in modo più efficiente rispetto ai metodi precedenti.
Con un pratico metodo di recupero, l'estrazione di acqua salata offre un'alternativa sostenibile all'estrazione dell'uranio terrestre che potrebbe sostenere la produzione di energia nucleare per millenni.
I depositi di uranio sono abbondanti e ricostituibili nell'acqua di mare attraverso l'erosione naturale delle rocce e del suolo contenenti minerali. Nonostante le concentrazioni diluite, circa 3 milligrammi di uranio per tonnellata di acqua di mare, gli oceani del mondo contengono enormi riserve dell'elemento per un totale stimato di quattro miliardi di tonnellate, una fornitura 1000 volte maggiore di tutte le fonti terrestri messe insieme.
Lo sviluppo di adsorbenti di uranio efficienti per sfruttare questa potenziale risorsa, però, è stata una ricerca sfuggente sin dagli anni '60.
"L'obiettivo è sviluppare materiali adsorbenti efficienti a basso costo che possano essere lavorati in condizioni blande per recuperare l'uranio, e anche riutilizzato per più cicli di estrazione, " ha detto Alexander Ivanov di ORNL, che ha eseguito studi computazionali di H 2 BHT.
Supportato dal programma di ricerca e sviluppo del ciclo del carburante dell'Ufficio del DOE dell'energia nucleare, il team si è concentrato sulla determinazione dei fattori sottostanti che influenzano la selettività e aumentano il volume di uranio recuperabile con nuovi materiali.
Precedenti studi sui composti a base di amidoxime hanno rivelato un'attrazione fondamentalmente più forte per il vanadio rispetto all'uranio che potrebbe essere difficile da superare. Lo sviluppo di H 2 BHT offre un approccio alternativo, utilizzando materiali non amidoxime, mirare meglio all'uranio in ambienti acquatici misti di metalli.
La selettività è stata a lungo un ostacolo sulla strada verso materiali adsorbenti più efficienti. I primi progressi, guidato da tentativi ed errori, hanno scoperto che i gruppi funzionali a base di amidoxime legano efficacemente l'uranio nell'acqua ma fanno un lavoro ancora migliore nel recuperare il vanadio, sebbene quest'ultimo abbia una concentrazione relativamente più bassa nell'acqua di mare.
"Il risultato è che i materiali a base di amidoxime, gli attuali precursori per gli adsorbenti disponibili in commercio, riempirsi più velocemente di vanadio che di uranio, che è difficile e costoso da rimuovere, ", ha detto Popov.
Le soluzioni acide altamente concentrate utilizzate per rimuovere il vanadio sono una spesa maggiore rispetto alle soluzioni di lavorazione blande o basiche e sono gravate da flussi di rifiuti caustici. Inoltre, la lavorazione acida può danneggiare le fibre del materiale, che ne limita il riutilizzo, rendendo l'adozione commerciale proibitiva in termini di costi.
"Per funzionare come un concetto ingrandito, idealmente, gli elementi indesiderati non verrebbero adsorbiti o potrebbero essere facilmente rimossi durante la lavorazione e il materiale riutilizzato per diversi cicli per massimizzare la quantità di uranio raccolto, ", ha detto Popov.
A differenza dei materiali carichi di vanadio, l'H 2 Il polimero BHT può essere lavorato utilizzando soluzioni basiche delicate e riciclato per un riutilizzo esteso. Le caratteristiche ecocompatibili offrono anche significativi vantaggi in termini di costi per potenziali applicazioni del mondo reale.
Il prossimo passo, dicono i ricercatori, è quello di affinare l'approccio per una maggiore efficienza e opportunità su scala commerciale. L'articolo della rivista è pubblicato come "Il chelante ispirato al sideroforo dirotta l'uranio dal mezzo acquoso".
