海南大學《先進材料》：超分子水凝膠高效吸附海水中的鈾

海洋擁有豐富的自然資源。特別是，海水中的鈾含量超過45億噸，是陸地鈾含量的1000倍。與造成嚴重環境汙染和氣候變化的傳統化石燃料相比，核能是一種相對清潔的能源，在過去幾十年中發展迅速。然而，陸地上已探明的鈾礦儲量有限，只能提供大約70年的全球核能消耗。為了有效地從海水中回收鈾，為了核電的長期可持續發展，已經開發了許多類型的鈾吸附劑，例如無機材料、合成有機和聚合材料、各種納米結構吸附劑，包括接枝聚合多孔載體、金屬有機框架、共價有機框架、多孔碳、多孔芳族框架、多孔有機聚合物以及最近的蛋白質/生物質基材料。儘管如此，大量的技術困難與從海水中提取鈾有關，因為鈾濃度極低，大量共存離子嚴重干擾，以及複雜的生物環境會腐蝕/破壞吸附劑和裝置。對於從海水中大規模提取工業鈾，仍然難以設計和製造具有良好選擇性和高吸附容量的低成本吸附劑。

大規模從海水中提取鈾是核能發電的關鍵環節，但也頗具挑戰性。近日，海南大學的王寧教授課題組，製備了一種

【總體思路】方案1 Zn2+–PAO超分子水凝膠的離子交聯和選擇性鈾吸附機理

研究人員使用Zn2+，這是一種典型的離子交聯劑，它與不同的PAOs（方案1）的兩個偕胺肟陰離子（AO）強相互作用，以直接形成3D水凝膠網絡。離子交聯Zn2+-PAO超分子水凝膠膜可以簡單地通過將PAO溶液和氯化鋅溶液混合來實現（方案1）。由於Zn2+的超親水性，Zn2+–PAO水凝膠三維網絡的親水性得到了顯著的改善。此外，由於添加的Zn2+不超過幹凝膠的4 wt%（mZn2+：mPAO=4:100），水凝膠中PAOs的百分比非常高（約為幹凝膠的96 wt%）。結果表明，這種低成本的Zn2+-PAO水凝膠膜相對於現有的吸附劑具有超高和快速的鈾吸附能力。這些特性使這種超分子水凝膠成為高效大規模海水鈾回收的優良吸附劑。

【圖文解析】圖1. 偕胺肟官能化的PAO的合成及水凝膠吸附性能測試

a）偕胺肟官能化的PAO的合成；b）鈾吸收Zn2+–PAO水凝膠（mZn2+：mPAO=4:100）、鈾酰離子和Zn2+–PAO水凝膠（mZn2+：mPAO=4:100）的XPS光譜；c）不同Zn2+–PAO水凝膠在32 ppm摻鈾水和32 ppm摻鈾海水中對鈾吸附容量（96 h）的比較；d、e）氫氧化鈉處理的PAO、半IPN-PAO幹凝膠和Zn2+–PAO幹凝膠（mZn2+：mPAO=4:100）的水接觸角變化。

解析：將氯化鋅和PAO兩種溶液簡單混合，通過鋅離子與偕胺肟陰離子的相互作用，得到了一種超分子Zn2+-PAO水凝膠。與現有的PAO含量低的偕胺肟基化水凝膠吸附劑和親水性弱的纖維吸附劑相比，

a） 在8 ppm摻鈾水中萃取鈾時Zn2+–PAO水凝膠膜（mZn2+：mPAO=4:100）的pH依賴性。b）Zn2+–PAO水凝膠膜的鈾吸附-解吸過程。c） 洗脫液中Zn2+–PAO水凝膠膜的鈾解吸動力學。d） 在五個吸附-解吸循環中，鈾的吸附容量（藍色柱）和洗脫回收率（紅色柱）。

解析：在外部環境中的pH值可顯著影響Zn2+-PAO水凝膠膜和其他酰胺基功能化鈾吸附劑的鈾提取能力。雖然該水凝膠在8 ppm 鈾型加標水中的pH值為4～9時，可提供快速和高的鈾吸附量。當pH 為7時，分別在2、12和36小時後在8 ppm 鈾-加標水中產生420±18.4、727±24.2和1054±28.0 mg g-1的最高鈾的吸附值（QU）。（注：Zn2+–PAO水凝膠對鈾的吸附量可由公式QU=MU/Mdry gel統一計算，式中QU為Zn2+–PAO水凝膠對鈾的吸附量，MU為水凝膠對鈾的吸附質量，Mdry gel為Zn2+–PAO水凝膠的幹質量。）圖4. Zn2+–PAO水凝膠膜吸附性能比較

Zn2+–PAO水凝膠膜（mZn2+：mPAO=4:100）與水凝膠基和膜基吸附劑在鈾-加標水中或模擬海水中的吸附性能比較。

解析：相對於已報道的吸附劑，這種低成本的水凝膠膜對鈾的吸附性能優異，在32 ppm含鈾的水中的吸附量可達到1188 mg g-1。圖5. Zn2+–PAO水凝膠膜的長時間吸附性能

a）用流動式鈾萃取系統對天然海水中（mZn2+：mPAO=4:100）進行了4周的鈾-吸附性能和b）照片分析。

本工作為設計一種新型超分子水凝膠提供了總體思路，該超分子水凝膠可由多種二價/多價陽離子交聯劑，甚至多種超親水超分子交聯劑進行交聯，用於從海水中高效、大規模地提取鈾。

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b08550

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