纳米功能膜让海水“捞”铀从“实验室”走向“海洋”

在国家碳达峰、碳中和目标下，我国核电发展空间巨大，但我国陆地铀矿储量不大且品质不高，铀原料供应严重依赖进口，亟需寻找新的铀来源。海水中赋存了近45亿吨铀，是陆地储量的1000余倍，如能加以开发利用，有望成为我国非常规铀资源获取的新途径，对于保障国家能源安全和国家安全都有重要的战略意义。

尽管海水中铀储量巨大，但浓度极低，并且海洋环境复杂多变、海洋生物污染严重，因此，从大海“捞”铀，并不容易。长久以来，世界各国一直致力于寻找可大规模实施的海水提铀产业应用技术。但海水提铀由于成本过高备受质疑，工程化海水提铀的低成本解决方案甚少，更多研究成果仅停留在实验室阶段。

海里捞“铀”，到底有多难、难在哪？

据介绍，铀在海水中主要是以三碳酸铀酰离子的结构存在，浓度仅为3.3 mg/m3。换算下来，30万吨海水中只有1公斤铀。再加上海水中其他杂质的含量既浓且杂，把这一微弱比例的铀从海水中“捞”出来，提取难度远超“沙里淘金”。

用姜标院士的话来说，“这就像一滴眼泪滴到了西湖，要把这滴眼泪提取出来，并非易事。” 而且，海水提铀技术的关键所在——吸附材料，一旦走出实验室投入真实海试，极易受到海洋污染、气候、洋流等影响，理论上的吸附容量会立马“打折”。此外，成本高也一直是海水提铀难以解决的问题，吸附材料的突破和海洋工程技术成为两个关键制约因素。

那么，纳米纤维功能膜如何从海水中捞“铀”的呢？

针对“海水提铀”这一极具挑战性的科技难题，国际欧亚科学院院士、中国科学院上海高等研究院绿色化学工程技术研究与发展中心姜标研究员团队，基于静电纺丝技术，成功制备了铀吸附速率快、吸附容量高、离子选择性好的纳米纤维功能膜。近10年间，他们完成了从实验室膜片到工业膜组件的批量生产，开展了上百次模拟循环吸附、脱附工艺验证。据团队成员李继香副研究员介绍，一根1米高的圆柱工业膜组件，其有效吸附面积相当于一个足球场，全生命周期可提取近600克的铀。

海水提铀从“实验室”走向“海洋”有多难？

为了让纳米膜海水提铀技术走出实验室，研究团队历经海域选址、产线建设、海试平台搭建、海洋生物污染严重等多道难关，并且每个环节都面临经费紧张问题。需要探索产学研合作模式，社会各方携手突破产业化难题。

日前，研究团队已通过产学研合作建成了年产8万平方米的功能纳米膜生产线（图1）；2018年首次在东海海域实施了小规模海水提铀海试试验（图2），并在1个月内成功获得近20克天然铀；2019年在南海海域建成了纳米膜公斤级海水提铀试验平台以及配套洗脱平台（图3），完成了100余支膜组件的海试投放和循环吸附试验。同时，研究团队建立了完整的铀吸附、洗脱、活化技术体系，并进行了技术经济性评估。目前，研究团队正联合中核集团旗下核电运行研究（上海）有限公司，完善海洋工程实施技术。

图1 年产8万平方米的功能纳米膜生产线

图2 东海海域小规模海水提铀海试试验

图3 南海海域纳米膜公斤级海水提铀试验平台

基于目前海试试验的进展，研究团队实现了海水中提取铀产品的连续生产能力，下一步团队将进一步聚焦提升产能。

海水提铀，距离商业应用还有多远？

在姜标看来，目前海水提铀距离实际应用还有一定距离，但距离商业应用已看到曙光。

2019年11月，中国核工业集团有限公司牵头成立中国海水提铀技术创新联盟（以下简称联盟）。今年4月，该联盟成立海水提铀技术创新联盟理事会，并提出海水提铀技术发展技术路线：到2025年，具备实现海水中提取公斤级能发电的核产品能力；到2035年，用10年时间建成海水提铀吨级示范工程；到2050年，用15年间实现海水提铀的连续生产能力。作为联盟副理事长，姜标认为，该技术路线将助力我国实现“向大海要铀”的铀矿开采目标。

值得一提的是，中核集团已将海水提铀列入集团公司的先导技术，并将在“十四五”期间联合联盟各单位，编制吸附材料评价标准，建设海水提铀海试平台，推动海水提铀技术的工程化进程。

来源：中国科学院上海高等研究院