Новый материал позволяет эффективно добывать уран прямо из морской воды

Химики разработали полимер, который захватывает из морской воды соединения урана, "не обращая внимания" на другие вещества. Такой способ добычи сырья может обеспечить человечество энергией на тысячелетия. 

Разработка описана в научной статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

Напомним, что в морской воде содержатся ионы уранила (UO22+). Их не так уж много: три миллиграмма урана на тонну воды. Но суммарно это четыре миллиарда тонн урана. Согласно оценкам специалистов, это в тысячу раз больше, чем во всех наземных источниках вместе взятых. Дело в том, что реки в течение миллиардов лет вымывали ураноносные минералы из грунта и несли их в океан. Такого источника энергии человечеству может хватить на тысячелетия.

По этой причине с 1960-х годов учёные изучают вещества, способные захватывать ионы уранила.

"Цель состоит в том, чтобы разработать эффективные дешёвые адсорбирующие материалы, из которых можно извлекать уран в мягких условиях, а также повторно использовать их для многократных циклов экстракции", – объясняет первый автор работы Александр Иванов (Aleksandr Ivanov) из Национальной лаборатории Ок-Ридж в США.

На сегодняшний день лучше всего с извлечением уранила справляются материалы на основе амидоксимов. К сожалению, о них нельзя сказать, что они верны урану, как рыцарь прекрасной даме: ещё охотнее эти вещества захватывают ионы ванадия, хотя их и меньше в морской воде.

"В результате материалы на основе амидоксимов, являющиеся в настоящее время лидерами среди коммерчески доступных адсорбентов, быстрее, чем ураном, заполняются ванадием, который трудно и дорого удалять", – констатирует соавтор работы Илья Поповс (Ilja Popovs), также из Национальной лаборатории Ок-Ридж.

Для удаления ванадия требуется концентрированный раствор кислоты. Он повреждает материал, мешая его повторному использованию. К тому же встаёт вопрос, как утилизировать такой опасный очиститель. В итоге использование адсорбента становится попросту невыгодным.

Авторы новой разработки использовала другой подход. Химики "подсмотрели" технологию у бактерий и грибов, захватывающих из окружающей среды ионы железа. Для этого микроорганизмы используют особые вещества – сидерофоры (siderophores).

"Мы по сути создали искусственный сидерофор, чтобы улучшить способ селекции веществ и связывания урана", – говорит Поповс.

С помощью компьютерного моделирования и экспериментов "в пробирке" исследователи создали функциональную группу с умопомрачительным названием "2,6-бис-[гидрокси(метил)амино]-4-морфолино-1,3,5-триазин", для которой милосердно ввели краткое обозначение H2BHT.

Как показали эксперименты, полимер на основе H2BHT легко захватывает ионы уранила, практически не интересуясь ванадием и другими посторонними металлами. Отделить собранное сырьё можно с помощью мягкого раствора с щелочной реакцией. Он не повреждает материал и позволяет использовать его многократно.

Важно, что полимер дёшев в изготовлении, нетоксичен и не представляет опасности для экологии.

"Наш подход является значительным шагом вперёд, – резюмирует Поповс. – Наш материал специально разработан для отбора урана отдельно от других металлов, присутствующих в морской воде, и может быть легко переработан для повторного использования, что делает его гораздо более практичным и эффективным, чем ранее разработанные адсорбенты".

Теперь исследователи надеются достичь ещё большей эффективности и создать коммерческую версию адсорбента.