Trung Quốc chiết xuất uranium từ nước biển nhanh gấp 3 lần phương pháp khác

Theo SCMP , các nhà khoa học Trung Quốc nói họ đã tìm ra cách chiết xuất hiệu quả uranium - kim loại nặng dùng làm nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân - từ nước biển bằng điện.

Cụ thể, nhóm nghiên cứu từ Đại học Sư phạm Đông Bắc ở thành phố Trường Xuân (tỉnh Cát Lâm, Trung Quốc) đã phát triển một điện cực để thu giữ uranium thông qua các phản ứng điện hóa.

Họ cho biết phương pháp này nhanh hơn ít nhất 3 lần so với các cách chiết xuất hiện tại và có hiệu quả trong việc chặn lọc các tạp chất trong nước biển, đồng nghĩa với việc có thể phù hợp cho những ứng dụng quy mô lớn.

Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi Phó Giáo sư Zhao Rui và Giáo sư Zhu Quảng Sơn, đã công bố kết quả nghiên cứu đột phá của họ trên tạp chí ACS Central Science.

Trung Quốc đang xây dựng nhiều nhà máy điện hạt nhân hơn bất kỳ quốc gia nào khác, nhưng quặng uranium của nước này có chất lượng thấp nên phải nhập khẩu để cung cấp nhiên liệu cho các lò phản ứng. Khả năng khai thác uranium từ nước biển có thể là yếu tố mang tính bước ngoặt giúp Trung Quốc thay đổi tình thế.

Uranium là nguyên tố thiết yếu cho năng lượng hạt nhân kể từ năm 1942, khi nhà vật lý Enrico Fermi xây dựng lò phản ứng hạt nhân đầu tiên ở Chicago.

Theo truyền thống, uranium được chiết xuất từ các thành tạo đá trên mặt đất, nhưng tính chất hữu hạn của các mỏ này đã khiến các nhà khoa học phải tìm kiếm các nguồn uranium thay thế. Một trong những nguồn dồi dào nhất chính là đại dương, nơi chứa khoảng 4,5 tỉ tấn uranium - gấp gần 1.000 lần so với trữ lượng uranium trên đất liền.

Tuy nhiên, chiết xuất uranium từ nước biển là một nhiệm vụ vô cùng thách thức do nồng độ cực kỳ thấp, ở mức 3,3 phần tỷ, cùng với sự hiện diện của các ion gây nhiễu trong môi trường biển phức tạp.

Độ khó của nhiệm vụ này giống như việc tìm một gam muối trong 300.000 lít nước ngọt, nếu không muốn nói là khó khăn hơn.

Để giải quyết thách thức này, nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã tạo ra một điện cực bằng cách phủ loại vải dệt từ sợi carbon với hai monome (phân tử có thể phản ứng với các phân tử khác để tạo thành các cấu trúc như polyme), được polyme hóa để tạo ra vật liệu điện cực có các vết lồi và lõm cực nhỏ, được gọi là khung bọt xốp (porous aromatic frameworks - viết tắt là PAF).

PAFs có các điểm tạo xúc tác để chuyển ion uranium thành các hợp chất uranium, và các điểm hấp thụ nhằm thu thập các hợp chất. Bản chất xốp của vải carbon cũng giúp thu giữ các ion uranium.

Trong một nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của nhóm Giáo sư Zhu, một tấm vải tráng phủ được dùng làm cực âm, cực dương than chì hoàn thiện mạch điện và một dòng điện chạy giữa chúng. Trong vài ngày, họ nhận thấy uranium màu vàng sáng hình thành trên tấm vải.

Theo nghiên cứu, phương pháp điện hóa này có thể cải thiện công suất và tốc độ chiết so với phương pháp hấp phụ hóa lý truyền thống.

Giáo sư Zhu cho biết trong báo cáo: “Việc chiết xuất uranium bằng điện cực PAF (PAF-E) cho thấy sự hấp thụ cao hơn và động học nhanh hơn so với sự hấp phụ hóa lý”.

Trong một thử nghiệm khác được tiến hành trên nước lấy từ biển Bột Hải, nhóm nghiên cứu đã sử dụng điện cực để chiết xuất 12,6 miligam uranium trên mỗi gram vật liệu trong 24 ngày.

Các nhà khoa học cho biết phương pháp này tốt hơn hầu hết các phương pháp chiết xuất uranium được báo cáo khác.

Các thử nghiệm cũng cho thấy điện cực ổn định qua nhiều chu kỳ chiết, bất chấp sự hiện diện của các ion kim loại cạnh tranh trong nước biển.

Zhu cho biết: “Tính chọn lọc tốt này là do điện áp xoay chiều đặt vào các điện cực, đẩy lùi các ion không liên kết”.

Ông cho biết các điện cực có thể mang lại một phương pháp hiệu quả hơn để tách uranium từ nước biển và nghiên cứu này đã cải thiện sự hiểu biết về các cơ chế đằng sau việc chiết uranium bằng điện hóa.

Nghiên cứu được tài trợ bởi Chương trình R&D trọng điểm quốc gia của Trung Quốc và Quỹ khoa học tự nhiên quốc gia của Trung Quốc.