仅30万吨海水就含有1公斤铀，提取难度远超“沙里淘金”。世界各国一直致力于寻找可以大规模实施的从海水中提取铀的工业应用技术。然而，近年来，海水提铀的高成本受到了社会的质疑。从工程海水中提取铀的低成本解决方案很少，更多的研究成果仅停留在实验室阶段。
近日，国际欧亚科学院院士、中国科学院上海高等研究院(以下简称上海高等研究院)绿色化工技术研发中心研究员蒋彪经过近10年的研究，成功开展了通过打造纳米纤维功能膜从千克海水中提取铀的实验。这是国内首次基于功能纳米膜的大规模海水提铀实验，将有效推动我国从海水中向海洋提取铀，或为缓解我国“铀困境”提供新的途径。
在海里“捞”铀并不容易。
铀是发展核能的战略原料，但陆地上铀的总储量只够人类使用几十年，海水中铀约有40亿吨，是陆地储量的近1000倍。
然而，从海洋中“捞出”铀并不容易，从海水中提取铀成为一个具有挑战性的科技难题。蒋彪说，一是海水含盐量高，成分复杂，海洋微生物对物质具有破坏性；第二，海水中的铀浓度很低。此外，成本高一直是海水提铀的难题，吸附材料和海洋工程技术的突破成为两大关键制约因素。
因此，基于静电纺丝技术，蒋彪团队成功制备了铀吸附速率快、吸附容量高、离子选择性好的纳米纤维功能膜。10年来，他们完成了从实验室膜到工业膜组件的量产，进行了数百次模拟循环吸附解吸过程验证。
近年来，美国能源部橡树岭国家实验室开发了一种新型铀吸附剂，其在海水中的吸附容量约为3.94g/kg。蒋彪团队研发的铀吸附剂在模拟溶液中的吸附能力是美国这种新型吸附材料的近8.8倍。“我们研发的纳米纤维功能膜强度和渗透性强，可重复使用，使用寿命长。”蒋彪说，“一个1米高的圆柱形工业膜组件，其有效吸附面积相当于一个足球场，在其整个生命周期内可吸附提取近600克铀。”
“除了良好的吸附性能，这种纳米薄膜的离子选择性也需要非常优异。纳米膜只选择性地通过铀离子，却忽略了海水中的钙、镁等20多种其他金属离子。”项目负责人之一、上海高等研究院副研究员李吉祥说。
研究团队首先在青海省察尔汗盐湖进行了实验。虽然实验成功，但由于高盐浓度，湖上的基础设施遭到破坏。他们放入了10个膜组件，但只回收了2个。但是，这个小规模的实验为后来的研究团队进行海水提铀奠定了信心。
预计吨位测试将在五年内完成。
随着我国核电的快速发展，每年对铀的需求将超过1万吨，而我国铀的年产量只有1000吨，缺口很大。到目前为止，中国还没有建立海水提铀厂。海试试验是海水提铀产业化的关键，也是海水提铀成功与否的试金石。
为了让海水提铀技术走出实验室，研究团队建成了年产8万平方米的功能性纳米膜生产线。2018年，首次在东海进行海水提铀示范，一个月内成功获取近20克天然铀。2019年11月，蒋彪团队在产学研合作的帮助下，在南海建成了纳米膜千克海水提铀试验平台和配套的洗脱平台，完成了100多个膜组件的海试释放和循环吸附试验。同时，研究团队建立了完整的铀吸附、洗脱、活化技术体系，并进行了技术经济评价。
海洋工程造价高是蒋彪团队进行海试时需要突破的一大坎。蒋彪坦言，真正的海试并不容易。海试基础设施建设需要数百万元，实验室经费往往捉襟见肘，需要探索产学研合作模式，社会各界共同努力，突破产业化难题。
此外，台风、气候等因素也会对试验平台产生影响，尤其是海洋污染物。为此，他们不得不回到实验室，改进材料，提高抗污染能力。基于目前海试的进展，团队已经实现了从海水中提取铀产品的连续生产能力，团队下一步将进一步着力于提高生产能力。
我国已经明确了从海水中提取铀的路线图，铀资源由陆地向海洋开发已经成为现实需求。那么从海水中提取铀什么时候会从千克跃升到吨呢？目前，研究团队正与中核集团核电运行研究(上海)有限公司合作，完善海洋工程实施技术。
2017年，团队从海水中提取铀的成本从500美元/公斤到1000美元/公斤，现在已经下降到150美元/公斤左右，接近目前国际上陆地提取铀矿石的130美元/公斤。“从海水中提取铀的成本将大幅降低空。预计再过5到6年，就能和陆地提取铀的成本持平，有望完成吨位测试。”蒋彪说。(记者王春)
来源:科技日报
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