海水中的宝藏，你真的知道吗？

一、背景

核电是一种新兴的环保能源，具有能量密度高、二氧化碳排放量低等优点，有望替代传统化石燃料。铀是核能发电的主要燃料，但陆地上的铀储量只有7.6亿吨，仅能供应几十年。幸运的是，海洋中含有超过 45 亿吨的铀，足以满足日益增长的铀消耗量。因此，迫切需要制定高效、低成本的从天然海水中提取铀的策略。最近，研究人员使用了多种方法来捕获铀，例如离子交换、共沉淀、溶剂萃取、生物处理、超导磁分离和吸附。在这些方法中，吸附作为最主流的技术被广泛接受，因为它具有效率高、成本低、操作方便等优点。因此，许多吸附剂如低维纳米材料、多肽、功能蛋白、细菌、偕胺肟功能化材料和聚合物纤维膜是新开发的用于从海水中选择性提取铀。

本文整理了使用不同的材料从海水中高效提取铀的最新进展，带领读者一览前沿文献。

二、文献分析

1、将酰胺肟化纳米纤维气凝胶封装在木材细胞管胞中，以实现铀离子的高效级联吸附

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c06173

连续过滤吸附在海水中铀资源的勘探和降低核工业含铀废水的环境风险方面引起了越来越多的兴趣。对于大多数过滤吸附剂，重复过滤、高膜厚和高压通常是实现高截留率和高过滤通量的必要条件。作者团队在使用纤维素原纤维在原位偕胺肟化过程中优先从轻木次生细胞壁的木质素贫乏层剥离。通过在其细胞管胞中保持蜂窝状细胞微结构和纤维素气凝胶填充物，所得纳米木材显示出优异的机械性能（例如，横向抗压强度~1.3 MPa）和大表面积（~80 m2 g-1）。作者团队发现当它们的细胞管胞垂直于流动排列并且边缘用热固性聚合物密封时，它们可以作为高效的高压过滤膜来捕获水生铀离子。类似于典型的级联过滤系统，滤液依次通过层状组织的细胞管胞，通过细胞壁上丰富的微孔，在压力下实现> 99%的高截留率和~920 L m-2 h-1 的通量高达 6 bar（膜厚度为 2 毫米）。因此，作者的这项研究不仅提供了一种原位生产坚固木材的方法，将功能性纳米纤维素封装在其细胞管胞中，而且还提供了一种高效提取含水铀的可持续途径。

2、通过疏水相互作用和氢键自组装实现的具有高吸附能力和抗粘附性能的聚丙烯膜用于从海水中提取铀

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138696

作者团队开发了一种温和的策略，借助溶菌酶预涂层和溶菌酶与植酸的层层自组装，对疏水性PP膜进行功能化。由于自组装具有良好的可控性，功能涂层的含量和厚度可以线性调节。由于溶菌酶和植酸均含有丰富的含氧官能团，有利于铀的吸附，因此溶菌酶-植酸涂层改性聚丙烯膜对铀的吸附量可达90 mg-U/g膜（2143.83 mg-U/g涂层）以上。此外，改性PP膜具有良好的抗污染、抗菌性能和稳定性。即使在含有细菌和模型污染物的初始铀溶液中，经过5次循环后，吸附性能仅下降27.7%。作者还利用膜过滤的优点，将改性的PP MEM膜应用于动态过程。吸附量随着流速和层数的增加而增加，这是因为更多的铀酰离子可以与吸附位接触。因此，当铀浓度与天然海水中的铀浓度相同时，改性PP膜在15天后可获得1.15mg/g的铀。

3、通过电吸附和电催化还原耦合过程通过层状 2D/2D 磷酸铌/多孔石墨烯结构捕获铀

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.130054

作者团队通过磷酸铌在多孔石墨烯纳米片上的原位生长，设计了一种2D/2D片对片的HGNbP纳米复合材料，并首次展示了其通过电吸附和电催化还原耦合过程高效去除URA的潜力。从形貌和结构分析，HGNBP具有较少堆积的松散层状骨架，具有开放的磷酸铌多晶结构，石墨烯纳米片上具有丰富的纳米孔。由于其独特的结构特征，它表现出增强的比电容（757.4 F g-1）、电导率和离子/电荷转移能力。电吸附实验表明，HGNBP表现出快速吸附特性在1.2 V 下的动力学，在 50 mg L-1 U(VI) 溶液中 30 分钟内去除率高达 99.9%，在 1000 mg L-1 U(VI) 溶液中的吸附容量高达 1340 mg g-1解决方案。同时，也实现了对铀的良好可回收性和选择性。最后，还阐明了物理化学吸附、电吸附以及电催化还原的协同效应，有助于其快速动力学、高吸附容量和优异的选择性。因此，作者的研究为有效去除水溶液中的铀提供了新思路。

4、淀粉样涂层修饰电极促进海水中铀的电吸附

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138615

电吸附被认为是从海水中提取铀的最有效方法之一，因为这种方法可以在吸附剂表面聚集超低浓度的铀酰离子，从而获得更高的吸附容量和吸附率。然而，海洋微生物和污染物也会迁移到吸附剂表面，造成严重的抑制作用。在此，作者团队在原始电极通过方便的类淀粉样蛋白组件进行修饰，展开的牛血清白蛋白 (BSA) 涂层不仅提供了对铀的吸附位点，而且还使电极具有出色的防污和抗粘附性能。即使在各种污染物和微生物的干扰下，改性电极也能实现优异的可重复使用性和长期稳定性。修饰电极的平衡吸附容量高达2850 mg/g。更重要的是，优异的抗污染和抗粘附性能使得电极在暴露于污染蚂蚁时只会遭受轻微的性能下降。相比之下，没有突出防污性能的其他吸附剂（如 PAO）的吸附能力和可重复使用性会显着下降。作者的工作不仅首次提醒了电吸附中结垢现象不可避免的影响，而且还开发了从海水中捕获的候选吸附剂。

5、先进的胺肟化聚乙烯纳米纤维膜用于实际从海水中提取铀

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c03412

作者团队通过AN/AA的RIGP和偕胺肟化反应制备了一系列具有不同DGs的AM吸附剂。AM吸附剂具有突出的亲水性、优异的亲和性且吸附性能的研究结果表明，DG与吸附量的关系受多种因素的影响。当DG较低时，它具有较少的功能吸附位点和较好的可及性。官能团的数量限制了其吸附能力的提高，但其确实具有较快的吸附速率。然而，在高DG下，功能性吸附位点充足，但吸附位点的可及性较差，限制了吸附性能的提高。因此，具有大量可接近吸附位点的合格吸附剂可以具有高且快速的吸附性能。同时，AM吸附剂具有优异的机械性能，可重复使用10次以上的连续吸附-脱附-再生测试，使用周期和寿命长。这种新型膜吸附剂为海水提铀提供了新动力。