用于海水提鈾的膜組件。

中國科學(xué)院上海高等研究院(簡稱上海高研院)綠色化學(xué)工程技術(shù)研究與發(fā)展中心研究員姜標團隊研究海水提鈾近十年。不久前，該團隊通過產(chǎn)學(xué)研合作，提供了一種海水提鈾低成本解決方案，有效推進海水提鈾從“實驗室”走向“海洋”。

從一次偶然到上百次工藝驗證

談及為何涉足海水提鈾研究領(lǐng)域，姜標稱：“是一次偶然。”

2011年，中國科學(xué)院部署啟動“未來先進核裂變能—釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(TMSR)”戰(zhàn)略性科技先導(dǎo)專項(A類)，姜標是項目組成員之一。他帶領(lǐng)團隊利用先進的納米技術(shù)分離提取用于冷卻劑與核燃料溶劑的鋰同位素。

核與鈾總是“形影不離”。在項目實施過程中，姜標突發(fā)奇想：“既然利用納米技術(shù)可分離提取鋰同位素，是否也能提取鈾?”

在那時，包括姜標在內(nèi)的科學(xué)家很清楚，陸地鈾資源難以滿足未來核電的發(fā)展需求，必須找到補充或可替代方案。最終，姜標團隊證明他的設(shè)想是可行的，但他們并不滿足僅限于實驗室中。

成本高一直是海水提鈾難以解決的問題，材料和海洋工程是兩個主要制約因素。

降低材料成本是第一步。“需要找到可規(guī)模化生產(chǎn)的低成本、鈾吸附性能良好的吸附材料，并加工成可海試實施的形式。”項目負責(zé)人之一、上海高研院副研究員李繼香說。

為此，姜標團隊基于靜電紡絲技術(shù)，成功制備了鈾吸附速率快、吸附容量高、離子選擇性好的納米纖維功能膜。近10年間，他們完成了從實驗室膜片到工業(yè)膜組件的批量生產(chǎn)，開展了上百次模擬循環(huán)吸附/脫附工藝驗證。

姜標解釋道，工藝驗證的目的有兩個：一是測試使用壽命，這是降低材料成本的關(guān)鍵;二是證明材料是環(huán)保的，避免對海洋造成污染。

其間，姜標團隊得到中國科學(xué)院重點部署項目“鹽湖鹵水若干戰(zhàn)略性元素提取”的支持。該項目針對鹽湖資源綜合利用，以國家戰(zhàn)略元素鋰、硼和鈾的提取為目標，支撐戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(釷基熔鹽堆核能系統(tǒng))和地方特色經(jīng)濟發(fā)展，姜標團隊同樣是項目單位之一。

提取的鈾從近20克到公斤級

基于“鹽湖鹵水若干戰(zhàn)略性元素提取”項目，姜標團隊先在青海省察爾汗鹽湖“小試牛刀”。相比于海洋，鹽湖的鈾含量更高，但鹽分也高。雖然試驗成功，但湖上的基礎(chǔ)設(shè)施因鹽分過高而損毀，他們投放了10個膜組件，只收回兩個。不過，這次“小試牛刀”奠定了他們開展海水提鈾的信心。

“一根1米高圓柱形工業(yè)膜組件的有效吸附面積可達6600多平方米，相當(dāng)于一個足球場那么大。”姜標對記者說。

海洋工程成本高是姜標團隊開展海試試驗要突破的一道坎，也是最令他們頭疼的問題。據(jù)介紹，要建設(shè)海試試驗基礎(chǔ)設(shè)施需要花費數(shù)百萬元，但對于經(jīng)費有限的科研團隊來說，這樣的做法并不劃算。

2018年，姜標團隊同福建某地政府合作，首次在東海海域開展小規(guī)模海水提鈾海試示范，在一個月內(nèi)成功獲得近20克天然鈾。

2019年11月，姜標團隊借助產(chǎn)學(xué)研合作的形式，在南海海域建設(shè)了近400平方米功能納米膜公斤級海水提鈾海試試驗平臺以及配套改性和洗脫平臺，完成了10余噸提鈾組件及平臺裝配和加固改造。近兩年，他們在該海試試驗平臺上完成了100余支膜組件的海試投放和循環(huán)吸附試驗。

值得一提的是，該團隊還建立了完整的鈾吸附/洗脫/活化技術(shù)體系，并進行了技術(shù)經(jīng)濟性評估。

“我們利用功能納米膜，已經(jīng)成功從海水中提出天然鈾。”姜標表示，陸地鈾資源提取成本為150美元/公斤，“如果功能納米膜使用次數(shù)增加，海洋污染可以減少，全生命周期鈾提取量可以增加，海水提鈾成本便可與陸地鈾礦相當(dāng)”。目前，他們正與中核集團旗下核電運行研究(上海)有限公司合作，完善海試工程實施技術(shù)。

姜標坦言，真正海試試驗并不容易，如海洋污染對材料的影響非常大。為此，他們不得不重新回到實驗室，改進材料，提高其抗污染能力。除此之外，還有季節(jié)風(fēng)、洋流等因素對材料的影響。

不過，基于目前海試試驗的進展，姜標對實現(xiàn)具備海水提鈾連續(xù)生產(chǎn)能力的目標很有信心。