近日，國(guó)際歐亞科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院(以下簡(jiǎn)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(duì)，歷經(jīng)近10年研究，通過創(chuàng)制納米纖維功能膜，成功開展了公斤級(jí)海水提鈾試驗(yàn)。這是我國(guó)首次基于功能納米膜的最大規(guī)模海水提鈾試驗(yàn)，將有效推進(jìn)我國(guó)海水提鈾從實(shí)驗(yàn)室走向海洋，或?qū)榫徑馕覈?guó)的“鈾困境”提供新途徑。
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(chǔ)量?jī)H夠人類使用幾十年，海水中賦存了約40億噸鈾，是陸地儲(chǔ)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)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(duì)材料破壞性較大;二是海水中鈾濃度非常低。此外，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(gè)關(guān)鍵制約因素。
為此，姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)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(yàn)證。
近年來，美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(duì)研發(fā)的鈾吸附劑，其模擬溶液中的吸附能力是美國(guó)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(zhǎng)。”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(gè)足球場(chǎng)，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(duì)鈾離子選擇性通過，對(duì)海水中鈣、鎂等其他20多種金屬離子則不予‘理睬’。”項(xiàng)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(duì)先在青海省察爾汗鹽湖開展試驗(yàn)。雖然試驗(yàn)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(gè)膜組件，只收回2個(gè)。但是這次小范圍試驗(yàn)為后期研究團(tuán)隊(duì)開展海水提鈾奠定了信心。
有望5年完成噸級(jí)試驗(yàn)
我國(guó)核電的快速發(fā)展，使得鈾的年需求量將超過萬噸，而我國(guó)鈾年產(chǎn)量?jī)H千噸，缺口很大。我國(guó)迄今尚未建立海水提鈾工廠。海試試驗(yàn)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。
為了讓海水提鈾技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，研究團(tuán)隊(duì)已建成年產(chǎn)8萬平方米的功能納米膜生產(chǎn)線。2018年首次在東海海域?qū)嵤┝撕Ｋ徕櫴痉?，?個(gè)月內(nèi)成功獲得近20克天然鈾。2019年11月，姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)借助產(chǎn)學(xué)研合作的形式，在南海海域建設(shè)了納米膜公斤級(jí)海水提鈾試驗(yàn)平臺(tái)以及配套洗脫平臺(tái)，完成了100余支膜組件的海試投放和循環(huán)吸附試驗(yàn)。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)建立了完整的鈾吸附、洗脫、活化技術(shù)體系，并進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。
海洋工程成本高是姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)開展海試試驗(yàn)亟須突破的一道大“坎”。姜標(biāo)坦言，真正海試試驗(yàn)并不容易。要建設(shè)海試試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施需要花費(fèi)數(shù)百萬元，實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)常常捉襟見肘，這需要探索產(chǎn)學(xué)研合作模式，社會(huì)各方攜手突破產(chǎn)業(yè)化難題。
此外，臺(tái)風(fēng)、氣候等因素也會(huì)對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)產(chǎn)生影響，海洋污染物對(duì)材料的影響尤其嚴(yán)重。為此，他們不得不重新回到實(shí)驗(yàn)室，改進(jìn)材料，提高其抗污染能力。基于目前海試試驗(yàn)的進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了海水中提取鈾產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)能力，下一步團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步聚焦提升產(chǎn)能。
我國(guó)已經(jīng)明確海水提鈾路線圖，鈾資源開發(fā)從陸地轉(zhuǎn)向海洋，已成為現(xiàn)實(shí)訴求。那么海水提鈾何時(shí)從公斤級(jí)躍升到噸級(jí)?目前，研究團(tuán)隊(duì)正聯(lián)合中核集團(tuán)旗下核電運(yùn)行研究(上海)有限公司，完善海洋工程實(shí)施技術(shù)。
2017年，該團(tuán)隊(duì)從海水提鈾的成本是500美元/公斤至1000美元/公斤，現(xiàn)在降到了約150美元/公斤，已接近目前國(guó)際上陸地提取鈾礦的130美元/公斤。“我們從海水提鈾的成本還將有很大下降的空間，預(yù)計(jì)再過五至六年，有望與陸地提鈾的成本持平，屆時(shí)有望完成噸級(jí)試驗(yàn)。”姜標(biāo)說。
