海南大学《先进材料》：超分子水凝胶高效吸附海水中的铀科學頭條網

海南大学《先进材料》：超分子水凝胶高效吸附海水中的铀

海洋拥有丰富的自然资源。特别是，海水中的铀含量超过45亿吨，是陆地铀含量的1000倍。与造成严重环境污染和气候变化的传统化石燃料相比，核能是一种相对清洁的能源，在过去几十年中发展迅速。然而，陆地上已探明的铀矿储量有限，只能提供大约70年的全球核能消耗。为了有效地从海水中回收铀，为了核电的长期可持续发展，已经开发了许多类型的铀吸附剂，例如无机材料、合成有机和聚合材料、各种纳米结构吸附剂，包括接枝聚合多孔载体、金属有机框架、共价有机框架、多孔碳、多孔芳族框架、多孔有机聚合物以及最近的蛋白质/生物质基材料。尽管如此，大量的技术困难与从海水中提取铀有关，因为铀浓度极低，大量共存离子严重干扰，以及复杂的生物环境会腐蚀/破坏吸附剂和装置。对于从海水中大规模提取工业铀，仍然难以设计和制造具有良好选择性和高吸附容量的低成本吸附剂。

大规模从海水中提取铀是核能发电的关键环节，但也颇具挑战性。近日，海南大学的王宁教授课题组，制备了一种

新型Zn2+-聚偕胺肟(PAO)离子交联超分子水凝胶，该水凝胶能高效吸附海水中的铀。该研究成果以题为“An Ion‐Crosslinked Supramolecular Hydrogel for Ultrahigh and Fast Uranium Recovery from Seawater”的论文发表在国际期刊Advanced Materials上（见文后原文链接）。

【总体思路】方案1 Zn2+–PAO超分子水凝胶的离子交联和选择性铀吸附机理

研究人员使用Zn2+，这是一种典型的离子交联剂，它与不同的PAOs（方案1）的两个偕胺肟阴离子（AO）强相互作用，以直接形成3D水凝胶网络。离子交联Zn2+-PAO超分子水凝胶膜可以简单地通过将PAO溶液和氯化锌溶液混合来实现（方案1）。由于Zn2+的超亲水性，Zn2+–PAO水凝胶三维网络的亲水性得到了显著的改善。此外，由于添加的Zn2+不超过干凝胶的4 wt%（mZn2+：mPAO=4:100），水凝胶中PAOs的百分比非常高（约为干凝胶的96 wt%）。结果表明，这种低成本的Zn2+-PAO水凝胶膜相对于现有的吸附剂具有超高和快速的铀吸附能力。这些特性使这种超分子水凝胶成为高效大规模海水铀回收的优良吸附剂。

【图文解析】图1. 偕胺肟官能化的PAO的合成及水凝胶吸附性能测试

a）偕胺肟官能化的PAO的合成；b）铀吸收Zn2+–PAO水凝胶（mZn2+：mPAO=4:100）、铀酰离子和Zn2+–PAO水凝胶（mZn2+：mPAO=4:100）的XPS光谱；c）不同Zn2+–PAO水凝胶在32 ppm掺铀水和32 ppm掺铀海水中对铀吸附容量（96 h）的比较；d、e）氢氧化钠处理的PAO、半IPN-PAO干凝胶和Zn2+–PAO干凝胶（mZn2+：mPAO=4:100）的水接触角变化。

解析：将氯化锌和PAO两种溶液简单混合，通过锌离子与偕胺肟阴离子的相互作用，得到了一种超分子Zn2+-PAO水凝胶。与现有的PAO含量低的偕胺肟基化水凝胶吸附剂和亲水性弱的纤维吸附剂相比，

少量的超亲水性锌离子可以直接交联PAO。这样就形成了一种超分子水凝胶，其PAO含量高，分散性好，亲水性好。图3. Zn2+–PAO水凝胶膜的pH依赖性及吸附动力学

a）在8 ppm掺铀水中萃取铀时Zn2+–PAO水凝胶膜（mZn2+：mPAO=4:100）的pH依赖性。b）Zn2+–PAO水凝胶膜的铀吸附-解吸过程。c）洗脱液中Zn2+–PAO水凝胶膜的铀解吸动力学。d）在五个吸附-解吸循环中，铀的吸附容量（蓝色柱）和洗脱回收率（红色柱）。

解析：在外部环境中的pH值可显著影响Zn2+-PAO水凝胶膜和其他酰胺基功能化铀吸附剂的铀提取能力。虽然该水凝胶在8 ppm 铀型加标水中的pH值为4～9时，可提供快速和高的铀吸附量。当pH 为7时，分别在2、12和36小时后在8 ppm 铀-加标水中产生420±18.4、727±24.2和1054±28.0 mg g-1的最高铀的吸附值（QU）。（注：Zn2+–PAO水凝胶对铀的吸附量可由公式QU=MU/Mdry gel统一计算，式中QU为Zn2+–PAO水凝胶对铀的吸附量，MU为水凝胶对铀的吸附质量，Mdry gel为Zn2+–PAO水凝胶的干质量。）图4. Zn2+–PAO水凝胶膜吸附性能比较