海水提铀的先进材料与试验装置的研究进展

陈戏三++何琳++戴波

摘 要：近年来，随着核电事业和核技术的迅速发展，已经将铀矿资源的开发和利用提高到一个异常高度。海水中含有约45亿t的铀矿，如何从这浩瀚无垠的海洋中，高效提取铀矿资源无疑成为科研工作者关注的热点话题。然而制备具有良好机械稳定性、高选择性、大比表面积、高吸附效率的吸附材料已成为从海水中提取铀的关键技术。以偕胺肟基为功能基的吸附材料和HiCap材料已经成为从海水中提取铀的理想材料，同时结合海水中提取铀试验装置的结构和运行特性，进一步展示了海水提铀的发展趋势。

关键词：海水提铀 偕胺肟基官能团 HiCap 试验装置

中图分类号：TL21 文献标识码：A 文章编号：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

隨着核电事业飞速发展，对铀资源呈现出更为迫切的需求。目前已探明，全球的铀矿资源只有约459万t，因此全球著名的专家开始预言，低成本的铀矿仅能供给现有全球性核电站使用60～70年而已[1]。面对这一艰巨的现实需求，从20世纪60年代起，日本开始研究如何从海水中高效提取铀矿。随后，世界上的诸多发达国家，诸如美国、法国、瑞典、德国等均纷纷投入到从海水中提取铀矿资源领域。比较遗憾的是截止到现在，世界上还没有任何一个国家能够成功研制出具有商业性的海水提取铀矿资源的技术。通常认为，海水中铀矿资源的质量浓度约为0.33 mg/L，其总量达45亿t，相当于陆地矿石中铀含量的1 000多倍[2]。基于铀矿资源的稀缺性和特殊的战略价值，从海水中提取铀矿资源对我国核电事业的发展具有极其重要的现实意义。

海水中的铀主要是以三碳酸铀酰络离子[UO2（CO3）3]4-存在的，海水的pH值约为8.1，偏弱碱性，在这种情况下铀离子很容易就会与碳酸根离子形成更为稳定的络合离子。从20世纪60年代开始，人们就开始研究采用多种方法来回收铀资源，其中以浮选法、化学沉淀法、吸附法、离子交换法、超导磁分离法、生物处理法、膜处理法较为居多[3，4]，吸附法是目前最适宜和研究最多的方法之一[5]。采用吸附法从海水中提取铀矿的关键问题是研究开发出高选择性、良好机械稳定性、高吸附效率的吸附剂材料。基于此，目前世界上许多发达国家都在致力于从海水中提取铀矿资源的新型材料开发上，期望寻求突破。

1 新型材料的研制

1.1 偕胺肟功能基吸附材料

近年来日本从海水中提取铀矿，主要集中在以偕胺肟基[-CN（NH2）OH]为官能基的材料上[6]，因为它能够与海水中的三碳酸铀酰络离子发生螯合作用，具有巨大的开发潜力，这类化合物主要是靠C=N双键上的成键电子以及C—N中的N上的孤对电子与[UO2（CO3）3]4-发生相互作用，进而发生螯合作用吸附海水中铀离子，通常是将这些含有胺肟基的化合物制成树脂或纤维等形状。此外，日本广岛大学工学部[7，8]设计出了填充纤维形状的偕胺肟基吸附剂，在海水进行试验，将直径为4 m，高度为0.15 m的圆盘状吸铀器，在每间隔10 m的距离浮吊了100个，来研究该吸附剂材料最佳填充密度与最大吸铀量之间的关系。日本科学家Tamada[9]采用辐射接枝法制备出偕胺肟基的聚乙烯纤维，该材料具有较好的可塑性和机械强度，能够在海洋中进行有效固定。纤维状的吸附剂具有的优点是机械强度高，便于配合吸附装置操作，有效实现了工业化。

1.2 HiCap 吸附剂材料

美国能源部橡树岭（Oak Ridge）和佛罗里达希尔公司（Hills）的研发工作者开发出一种高容量吸附剂材料，结合聚乙烯纤维素的优点，将二者进行有序合成，制备出HiCap吸附材料[10]，能够快速从海水中提取铀，有效地推进了海水提取铀，进而实现了工业化。HiCap材料通常是由圆形纤维所构成，由于这些纤维直径非常小，该吸附剂具有良好的机械特性和高比表面积。将HiCap吸附剂材料放在含有铀的水溶液中，铀离子能够迅速且优先被吸附，采用常用的酸洗脱方式就能将吸附的铀离子解析下来。最后，采用氢氧化钾对该吸附材料予以处理，能够使其得到再生利用。

2 从海水中提铀的试验装置

2.1 堆积型吸附剂系统的海水提铀试验

自日本高崎研究所的团队成功制备偕胺肟基纤维材料后，堆积型的吸附剂就实施从海水中提取铀矿。该试验装置系统由一个浮动式框架和3个吸附床共同组成，框架通过缆绳与置于海底约40 t重的锚链接而保持稳定[11]。每个吸附床装144个吸附剂，每个吸附剂由120张纤维布组成，每层之间由垫片与螺母隔开。此外，将吸附床悬挂于浮动式框架之下，位于海平面20 m的深处。

2.2 束编型吸附剂系统的海水提铀试验

为了进一步降低海水提铀成本，日本高崎研究所的研发团队开发了束编型吸附剂并进行了海洋试验，吸附剂的长度是依据海水深度而确定的。将已经加工好的束编型吸附剂竖直地放入大海，底部固定在由无线电波控制的海底的锚上。放置的吸附剂距离海平面至少50 m，在束编型材料吸附铀矿之后，使用无线电波使吸附剂与锚相分离，自动浮动到海面上通过打捞进行回收。

3 结语

近年来，从海水中提取铀矿资源已取得了重大进展。主要还是选用以偕胺肟基为官能团的纤维，与铀酰离子络合后的偕胺肟基官能团经酸洗后，可以很容易地将铀酰离子从合成的先进材料上解吸下来。此外，日本在海水提铀的试验装置研制方面已经取得了较好的业绩，现已投入到了半工业化生产阶段。另外，为了进一步降低成本和提高效益，可以直接利用自然界能，诸如波浪能、海流能等形式，开发出具有更高吸附效率的试验装置提取系统。

参考文献

[1] Macfarlane A M，Miller M.Nuclear energy and uranium resources[J].Elements，2007，3（3）：185-192.

[2] Sugasaka K，Katoh S，Taka N，et al.Recovery of uranium from sea watet[J].Separation Science and Technology，1981（9）：971-985.

[3] 艾宏韜，陈松，陶祖贻，等.离子交换吸附平衡及其动力学兼论海水提铀机理[J].物理化学学报，1989（5）：81-86.

[4] 刘传玺，刘峙嵘，桑国辉.铀酰离子在泥炭上的吸附行为 [J].铀矿冶，2010（29）：74-77.

[5] 金可勇，俞三传，高从堦.从海水中提取铀的发展现状[J]. 海洋通报，2001（20）：78-82.

[6] Sek N，Bang L T，Tamada M.Syntheses of amine type adsorbents with emulsion graft polymerization of glycidyl methacrylate[J].Nuclear Instruments and Methods in Physical Research Section B，2007，265（1）：146-149.

[7] 张锦瑞.国外从海水中提取铀的现状及研究方向[J].铀矿冶，1995（14）：49-52.

[8] Katragadda S，Gesser H D，Chow A.The extraction of uranium by amidoximated orlon [J].Talanta，1997，45（2）：257-263.

[9] Tamada M.Current status of technology for collection of uranium from seawater[R].Japan， Japan Atomic Energy Agency，2009.

[10] Oak Ridge National Laboratory.Material could economically extract uranium from water[R].United States： Oak Ridge National Laboratory，2012.

[11] Mathieu P，Camille B，You W，et al.Extraction of uranium from seawater：Design and testing of a symbiotic system[J].Nuclear Technology，2014，188（2）：200-217.