Combinando química fundamental con recursos informáticos de alto rendimiento en ORNL, los investigadores demuestran un método más eficiente para recuperar uranio del agua de mar, revelando un material prototipo que supera a los mejores adsorbentes de uranio de su clase. Crédito:Alexander Ivanov / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
Los científicos han demostrado un nuevo material bioinspirado para un enfoque ecológico y rentable para recuperar uranio del agua de mar.
Un equipo de investigación de los Laboratorios Nacionales Oak Ridge y Lawrence Berkeley del Departamento de Energía, la Universidad de California - Berkeley, y la Universidad del Sur de Florida desarrollaron un material que une selectivamente el uranio disuelto con un polímero adsorbente de bajo costo. Los resultados, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , podría ayudar a superar los obstáculos en el costo y la eficiencia de la extracción de recursos de uranio de los océanos para la producción de energía sostenible.
"Nuestro enfoque es un avance significativo, ", dijo el coautor Ilja Popovs de la División de Ciencias Químicas de ORNL." Nuestro material está hecho a medida para seleccionar el uranio sobre otros metales presentes en el agua de mar y puede reciclarse fácilmente para su reutilización, haciéndolo mucho más práctico y eficiente que los adsorbentes desarrollados anteriormente ".
Popovs se inspiró en la química de los microorganismos hambrientos de hierro. Los microbios como las bacterias y los hongos secretan compuestos naturales conocidos como "sideróforos" para extraer nutrientes esenciales como el hierro de sus huéspedes. "Básicamente creamos un sideróforo artificial para mejorar la forma en que los materiales seleccionan y unen el uranio, " él dijo.
El equipo utilizó métodos computacionales y experimentales para desarrollar un grupo funcional novedoso conocido como "H 2 BHT "—2, 6-bis [hidroxi (metil) amino] -4-morfolino-1, 3, 5-triazina, que selecciona preferentemente iones de uranilo, o uranio soluble en agua, sobre los iones metálicos que compiten con otros elementos en el agua de mar, como el vanadio.
El descubrimiento fundamental está respaldado por el rendimiento prometedor de una prueba de principio H 2 Adsorbente de polímero BHT. Los iones uranilo se "adsorben fácilmente, "o adherido a la superficie de las fibras del material debido a la química única de H 2 BHT. El prototipo destaca entre otros materiales sintéticos por aumentar el espacio de almacenamiento de uranio, produciendo un material altamente selectivo y reciclable que recupera el uranio de manera más eficiente que los métodos anteriores.
Con un método de recuperación práctico, La extracción de agua salada ofrece una alternativa sostenible a la minería terrestre de uranio que podría sustentar la producción de energía nuclear durante milenios.
Los depósitos de uranio son abundantes y se reponen en el agua de mar a través de la erosión natural de las rocas y el suelo que contienen minerales. A pesar de las concentraciones diluidas, aproximadamente 3 miligramos de uranio por tonelada de agua de mar, Los océanos del mundo contienen grandes reservas del elemento por un total estimado de cuatro mil millones de toneladas, un suministro 1000 veces mayor que todas las fuentes terrestres combinadas.
El desarrollo de adsorbentes de uranio eficientes para aprovechar este recurso potencial, sin embargo, ha sido una búsqueda difícil de alcanzar desde la década de 1960.
"El objetivo es desarrollar materiales adsorbentes eficientes a bajo costo que se puedan procesar en condiciones suaves para recuperar uranio, y también reutilizado para múltiples ciclos de extracción, "dijo Alexander Ivanov de ORNL, que realizó estudios computacionales de H 2 BHT.
Con el apoyo del programa de Investigación y Desarrollo del Ciclo del Combustible de la Oficina de Energía Nuclear del DOE, el equipo se ha centrado en determinar los factores subyacentes que influyen en la selectividad y aumentan el volumen de uranio recuperable con nuevos materiales.
Estudios previos sobre compuestos basados en amidoxima revelaron una atracción fundamentalmente más fuerte por el vanadio sobre el uranio que puede ser difícil de superar. El desarrollo de H 2 BHT ofrece un enfoque alternativo, utilizando materiales que no sean amidoxima, para apuntar mejor al uranio en ambientes acuáticos de metales mixtos.
La selectividad ha sido durante mucho tiempo un obstáculo en el camino hacia materiales adsorbentes más eficientes. Primeros avances, impulsado por ensayo y error, descubrió que los grupos funcionales basados en amidoxima unen efectivamente el uranio en el agua, pero hacen un trabajo aún mejor en la recuperación del vanadio, aunque este último tiene una concentración comparativamente más baja en el agua de mar.
"El resultado es que los materiales a base de amidoxima, los pioneros actuales para los adsorbentes disponibles comercialmente, se llenan más rápidamente de vanadio que de uranio, que es difícil y costoso de eliminar, "dijo Popovs.
Las soluciones ácidas altamente concentradas que se utilizan para eliminar el vanadio suponen un mayor gasto en comparación con las soluciones de procesamiento suaves o básicas y están cargadas por corrientes de desechos cáusticos. Es más, el procesamiento con ácido puede dañar las fibras del material, que limita su reutilización, haciendo que la adopción comercial sea prohibitiva.
"Para funcionar como un concepto ampliado, idealmente, los elementos no deseados no se adsorberían o podrían eliminarse fácilmente durante el procesamiento y el material se reutilizaría durante varios ciclos para maximizar la cantidad de uranio recolectado, "dijo Popovs.
A diferencia de los materiales cargados de vanadio, El h 2 El polímero BHT puede procesarse utilizando soluciones básicas suaves y reciclarse para una reutilización prolongada. Las características ecológicas también aportan importantes ventajas de costes a las posibles aplicaciones del mundo real.
El siguiente paso, dicen los investigadores, es perfeccionar el enfoque para lograr una mayor eficiencia y oportunidades a escala comercial. El artículo de la revista se publica como "El quelante inspirado en sideróforos secuestra el uranio del medio acuoso".
