宏量化制造的全肟化纳米纤维材料具有优异的海水提铀性能

铀资源是核工业赖以发展的基础资源,在核能快速发展的背景下,核燃料铀的保障问题日渐突显出来,要保障核能的长远发展,对非常规铀资源进行开发具有重要战略意义。海水中蕴藏着约45亿吨铀,是陆地已探明铀储量的上千倍。如果能够将海水中的铀资源有效富集和提取,铀将会是一种“取之不尽”的资源,足以保证人类能源的可持续发展。以纤维材料为载体的直接吸附法具有易于操作、低能耗、易于规模化以及适于自然海域现场作业等优点,被认为是目前极具工程化开发前景的海水提铀方法。早在上世纪90年代,日本原子能机构(JAEA)使用非织造纤维材料吸附法,通过多次海试实验成功从海洋中提取出1083 g铀,并制成黄饼,向世界宣布掌握海水提铀工程化技术的同时,也证明了从海水中大量提取铀资源的可行性。近年,美国能源部(US DOE)成立“海水提铀”专项,牵头多所研究机构在纤维类海水提铀材料的开发上进行了大量的研究和开发,并取得显著成就。

偕胺肟(amidoxime)以及酰亚胺二肟(imide dioxime)基团被认为是目前铀吸附效果最好的功能基团。开发海水提铀纤维材料的核心在于如何尽可能高地提高纤维上有效胺肟基团的含量并使纤维的亲水性和力学强度等满足实际使用要求。目前的研究主要采用辐照接枝法(RIGP)在聚乙烯等高分子纤维基材上进行丙烯腈接枝聚合,再在溶液中进行胺肟化改性,以获得偕胺肟基纤维吸附材料。尽管该方法有许多优点,如原料易得、可规模化加工等,但也存在明显局限性,包括设备和工序复杂、以及改性后纤维的力学强度严重受损等。更重要的是,由于熔喷等传统纤维生产工艺的限制,这些纤维的单根直径往往在10 μm以上,很难达到亚微米甚至纳米级别,从而限制了纤维基材比表面积以及功能基团含量的提高,最终使得该类纤维的铀吸附容量很难有显著突破。

最近,海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室王宁教授课题组与清华大学材料学院伍晖副教授课题组以及中国工程物理研究院汪小琳研究员课题组合作,提出“原料预胺肟化”及“溶液气纺”新策略,实现了全胺肟化纳米纤维的宏量化制造。该研究工作具有以下显著创新性:(1)不同于传统的以商业纤维为基材进行腈基化及胺肟化后处理路径,该研究先把原料在有机溶液中进行完全的胺肟化改性,再用于纳米纤维的制备,在保证充分功能化的同时,避免了以往研究中胺肟化后处理对纤维力学强度的损伤,并充分保持了纳米纤维的三维孔隙结构及柔韧性;(2)不同于目前被广泛使用的“静电纺丝”纳米纤维制备技术,该研究创造性地使用“溶液气纺”(Solution blow spinning)技术来实现全胺肟化纳米纤维的低成本、宏量化制造。该技术仅以压缩气流的牵引为纳米纤维生成的驱动力,彻底避免了高压静电场的使用,从而充分释放了收集端材质和形状以及纳米纤维收集形态和厚度等的限制,使得整个工艺和设备更具连续性、灵活性和规模化拓展性。这些独特优势将使“溶液气纺”成为新一代的纳米纤维制造技术。(3)基于以上创新,该研究所开发的全胺肟化纳米纤维在掺铀(8 ppm)的天然海水中的吸附容量达到了951 mg-U/g-Abs,是目前美国能源部(US-DOE)所开发的提铀纤维吸附容量的约5倍,以及日本原子能机构(JAEA)所开发提铀材料的25倍左右。在实验室级别的海试研究中,该全胺肟化纳米纤维在天然海水中对铀的吸附捕捉能力达到了8.7 mg-U/g-Ads,为目前纤维类吸附材料的最高水平。该项研究工作开创了一种新的海水提铀吸附材料的合成及制造新思路和新方法,具有里程碑意义。

相关工作以“Significantly Enhanced Uranium Extraction from Seawater with Mass Produced Fully Amidoximated Nanofiber Adsorbent”为题,发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201802607)上,并被评选为封面文章(Inside back cover)。海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室助理研究员王东博士为论文第一作者,海南大学王宁教授、中国工程物理研究院汪小琳研究员以及清华大学伍晖副教授为论文共同通讯作者。