一．前言

海水中的铀的含量比陆地铀要多数百倍。但是由于海水铀的低浓度（约十亿分之三）和高盐度，提取铀用于核能发电面临着挑战。当前基于吸附材料的方法由于其表面物理化学吸附的性质而受到限制。

近期《自然˙能源》杂志发表一篇文章《基于半波整流交流电的电化学方法进行海水提铀的研究》，可从海水中高效提取铀，较之传统的物理化学吸附法，提取能力提升了9倍，速度提升了4倍。

二．技术发展

▲图1|物理化学和HW-ACE提取方法原理图

传统的物理化学吸附方法有哪些局限性？

首先，由于海水中铀浓度较低，吸附剂表面上的铀酰离子扩散速度很慢。

其次，吸附的阳离子是带正电的，由于库仑排斥力的影响，因此会拒绝吸入的铀酰离子，很大一部分的表面活性位点将无法进入(图1a)。

最后，其他的阳离子，如钠和钙，浓度比铀的高多个量级，这导致了对吸附活性位点的强烈竞争。当不需要的化合物被吸附在吸附剂表面时，将会阻止活性位点从而减少铀聚集的能力(图1b)。

半波整流交流电的电化学(HW-ACE)方法有哪些优点？(图1c)显示，使用该种方法铀提取过程的五个步骤：

在步骤1中，所有离子随机分布在水溶液中。

在步骤2中，当负偏压被应用时，阳离子和阴离子开始在外部电场的影响下迁移，并在偕胺肟电极表面形成一个双电荷层(EDL)。双电荷层内层的铀酰离子可以形成对电极表面的螯合。

在步骤3中，铀化合物进一步减少，电沉积为电中性铀化合物，如UO2。

在步骤4中，当移除偏压时，只有铀酰离子和电沉积的UO2附着在电极表面上。其他没有特定结合的离子在电极表面重新分布，并释放表面活性位点。

在步骤5中，随着重复循环，进一步的铀酰离子附着在电极表面上，而沉积的UO2可以生成更大的颗粒。

图2显示的是碳-偕胺肟电极性能，以及物理化学法和HW-ACE法对铀提取的可视化差异。

a,扫描电子显微镜（SEM）图像显示碳-偕胺肟电极的形态

b,扫描电子显微镜（SEM）图像显示碳-偕胺肟电极的活性碳表面和偕胺肟的聚合物。插图显示在高倍镜下表面涂层的多孔结构。

c,碳-偕胺肟电极的FTIR（傅立叶变换红外光谱仪）谱图

d,填加10ppm和1000ppm的硝酸铀酰的海水与未经处理的原态海水的循环伏安对比曲线图

e,该原理图显示了包含在绝缘石英基底上的平行Ptlines和上面涂有一薄层的偕胺肟聚合物的图形电极。

还显示了相应的SEM图像。图形Pt电极上的Pt和U能谱仪元素分析图上涂有偕胺肟薄膜，表明铀分布与Pt的图形相匹配，表明HW-ACE方法较传统的物理化学方法具有更好的提取性。所有图像的比例都是一样的。

从加铀的海水水样中提取铀的性能

为了定量地评价铀的提取性能，进行了一系列的提取实验，其中的数据显示在图3a-f和补充图5。研究结果反映出在有和无偏差的提取情况下，容量和动力学的差异。

HW-ACE提取方法和物理化学吸附方法，两种方法的实验数据都显示出对二级反应动力学有较好的拟合性。根据二级反应试件，HW-ACE提取的反应速率比物理化学吸附速率快4倍。通过对铀提取的定量分析，证明了HW-ACE提取法不仅能达到更高的容量，而且能更快地实现动力学。

▲图3|在使用加标真实海水中，HW-ACE方法提取铀的性能

a–f,使用HW-ACE方法对加标真实海水的铀提取与物理化学方法的对比图，使用初始铀浓度分别为∼0.15ppb(a),∼1.5ppm(b),∼15ppm(c),∼400ppm(d),∼1,000ppm(e)and∼2,000ppm

g,使用HW-ACE方法和物理化学方法提取铀24小时后，加标海水水溶液的对比图(初始铀浓度∼1000ppm)。

对提取的铀化合物进行鉴定

分析提取出的铀化合物的特征来进一步研究HW-ACE提取机理。首先，使用初始浓度1,000ppm的铀，通过HW-ACE方法和物理化学方法提取铀24小时后，使用扫描电镜仪呈现出的形态。（如图4a-d）

通过XRD特性描述(图4e),碳-偕胺肟电极表面的微米粒子被鉴定为(UO2)O2˙2H2O化合物。

从(图4f)结果可以看出,所有的控制样本显示的特征峰从U6+at∼483cm−1

▲图4|HW-ACE提取机理研究和提取的铀化合物分析

a,b,初始铀浓度为1000ppm，采用HW-ACE方法提取24小时后，SEM图像显示碳-偕胺肟电极被粒子充分覆盖。高倍放的SEM图像(b)显示了电沉积粒子的形态。

c,d,初始铀浓度为1000ppm，采用物理化学方法提取24小时后，SEM图像显示碳-偕胺肟电极的形态。

e,（上部）采用HW-ACE方法提取24小时后，碳-偕胺肟电极的XRD（射线衍射）图谱。（底部）从参考(UO2)O2˙2H2O(JCPDS01-081-9033)XRD峰值。

f,在空气和N2环境中，对碳-偕胺肟电极经过24小时的HW-ACE提取后的拉曼光谱进行了比较，采用物理化学方法提取24小时后，对硝酸铀酰盐(固体)和硝酸铀酰海水溶液进行了分析。

g,h,使用初始铀浓度为1000ppm，在N2环境下采用HW-ACE方法提取，SEM图像显示碳-偕胺肟电极的形态。

在未经处理的真实海水中提取的性能

如结果所示,流动4l的海水后,HW-ACE和物理化学方法对铀的吸取分别是1.62µg和0.56µg。HW-ACE的方法对铀的提取能力是物理化学吸附能力的三倍。

相比之下，由于在物理化学吸附的情况下提取了更少的铀，所以没有观察到强铀信号。纳米级次级离子质谱法结果证明，采用HW-ACE方法成功地提取了铀。

在二级反应试件的基础上，HW-ACE的反应速率是物理化学吸附的2.5倍。

这些结果证明，在实际的海水铀提取中，HW-ACE的方法表明比物理化学的吸附方法具有更高的提取能力和更高的反应动力学。

▲图5|在未处理的真实海水中提取铀

a,使用流动系统进行hw–ace方法和物理化学吸附方法的长期铀提取性能对比图。

b,c,在hw–ace提取过程中，经过长期流动实验，在碳-偕胺肟电极上分别对C和U使用纳米级次级离子质谱法获取的映像。

竞争性离子的性能和解吸

结果表明，来自HW-ACE方法的偕胺肟功能基团，对铀粒子提取能力高于钠和钙离子。对于相互竞争的离子，使用HW-ACE或物理化学方法，对V和Fe在提取效率方面没有表现出明显的差异。

相对于其他离子，HW-ACE方法对铀离子的选择性上高于物理化学方法。由于电场的交替性质，这种增强铀的选择性可以移除不需要的物种。

最后，进行解吸来评估回收铀的百分比。HW-ACE方法在最佳解吸条件下，可以回收96.2%的铀。洗脱过程中没有损坏碳-偕胺肟电极，同时电极没有丧失提取能力被重复使用三次。

三．海水提铀的价格

随着矿石品级的降低，从陆地矿石中开采出来的铀的价格也随之增加。

海水铀的价格可以作为一个截点;低于这个价格时，开采的陆地铀价格更经济，高于这个价格海水铀更经济。

最低的U3O8若涨价需要将轻水堆的LCOE（每千瓦时终生成本）提高到120%

▲矿石品级（铀浓度ppm）

四．结论

利用半波整流电化学(HW-ACE)方法，从海水中提取出一种基于偕胺肟-功能化碳电极的铀提取方法。偕胺肟功能化使表面与铀离子有特定的结合，而电场可以将铀离子迁移到电极上，并诱导铀化合物的电沉积，形成电中性铀化合物。提取不受电极表面积的限制，交替变化的脉冲电压防止了其他阳离子阻碍活性位点，并避免了水裂解的发生。

解吸后，可回收96.2%的铀。从海水中开采铀资源，这项技术展现出高效和巨大的成本效益的潜力。进一步优化电极材料和操作系统还可以提高其可伸缩性。

来自海水的商业铀供应正成为一个更加现实的目标，但很明显，这项技术还需要广泛的发展，才能达到足以维持核工业的价格。目前估计的海水铀价是在557美元/磅(U3O8)，比目前的U3O8市场价格高出10倍以上。

任何重大的海水提取，从数立方公里的海水中提取铀离子都需要部署大量的吸附剂在广阔的海床上。在做出任何重要的技术部署前，全面审查对可能涉及的环境影响和法律的相互作用是必不可少的。

原标题:海水提铀，无限的资源还是不可能的愿望?