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(biāo)團(tuán)隊(duì)研究海水提鈾近十年。不久前，該團(tuán)隊(duì)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(jìn)海水提鈾從“實(shí)驗(yàn)室”走向“海洋”。
從一次偶然到上百次工藝驗(yàn)證
談及為何涉足海水提鈾研究領(lǐng)域，姜標(biāo)稱：“是一次偶然。”
2011年，中國科學(xué)院部署啟動“未來先進(jìn)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(xiàng)(A類)，姜標(biāo)是項(xiàng)目組成員之一。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)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(xiàng)目實(shí)施過程中，姜標(biāo)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(biāo)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(bǔ)充或可替代方案。最終，姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)證明他的設(shè)想是可行的，但他們并不滿足僅限于實(shí)驗(yàn)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(shí)施的形式。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一、上海高研院副研究員李繼香說。
為此，姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)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(yàn)證。
姜標(biāo)解釋道，工藝驗(yàn)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(biāo)團(tuán)隊(duì)得到中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目“鹽湖鹵水若干戰(zhàn)略性元素提取”的支持。該項(xiàng)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(biāo)，支撐戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(釷基熔鹽堆核能系統(tǒng))和地方特色經(jīng)濟(jì)發(fā)展，姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)同樣是項(xiàng)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(xiàng)目，姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)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(yàn)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(dá)6600多平方米，相當(dāng)于一個足球場那么大。”姜標(biāo)對記者說。
海洋工程成本高是姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)開展海試試驗(yàn)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(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施需要花費(fèi)數(shù)百萬元，但對于經(jīng)費(fèi)有限的科研團(tuán)隊(duì)來說，這樣的做法并不劃算。
2018年，姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)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(biāo)團(tuán)隊(duì)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(yàn)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(yàn)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(yàn)。
值得一提的是，該團(tuán)隊(duì)還建立了完整的鈾吸附/洗脫/活化技術(shù)體系，并進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(biāo)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(tuán)旗下核電運(yùn)行研究(上海)有限公司合作，完善海試工程實(shí)施技術(shù)。
姜標(biāo)坦言，真正海試試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室，改進(jìn)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(yàn)的進(jìn)展，姜標(biāo)對實(shí)現(xiàn)具備海水提鈾連續(xù)生產(chǎn)能力的目標(biāo)很有信心。
