2 сентября, команда Циндаоского института биоэнергетики и биопроцессов Академии наук Китая (далее — «Циндаоский институт энергетики») недавно добилась серии успехов в области материалов для извлечения урана из морской воды. Команда впервые применила дискретную молекулярную топологическую конструкцию к системе пористых органических клеток, синтезировав фосфат-функционализированный материал PhosCage; далее, комбинируя его с арамидными нановолокнами, были получены композитные аэрогельные микросферы AC-POC, обладающие высокой селективностью, высокой ёмкостью и устойчивостью к биообрастанию. Соответствующие результаты опубликованы в международных академических журналах Journal of Hazardous Materials и Separation and Purification Technology.
В глубинах океана скрыто огромное «хранилище урана», однако вопрос о том, как экономично и эффективно «добывать уран» из него, остаётся мировой проблемой. Уран в морской воде присутствует в основном в форме уранил-ионов, концентрация которых крайне низка, и сопровождается большим количеством других ионов металлов и микроорганизмов. Традиционные адсорбционные материалы часто «захватывают не ту цель» или подвергаются помехам со стороны прикрепляющихся микроорганизмов. Поэтому разработка адсорбционных материалов с высокой селективностью, высокой ёмкостью и устойчивостью к биообрастанию является ключом к практическому применению извлечения урана из морской воды.
На этот раз команда Циндаоского института энергетики предложила стратегию дискретной молекулярной топологической конструкции, направленно создав фосфатные адсорбционные кластеры в межслоевом нанопространстве пористых органических клеток, и получила первый пример фосфат-функционализированного пористого органического клеточного материала — PhosCage. В лабораторных условиях PhosCage достигает адсорбционного равновесия всего за 5 минут; в реальных образцах морской воды из нескольких акваторий его максимальная ёмкость по извлечению урана достигает 50,4 мг/г, что в 8,4 раза превышает соответствующий базовый показатель Министерства энергетики США.
Чтобы этот материал можно было реально применять в морской инженерии, необходимо также решить проблемы сложности развёртывания порошковых материалов и прикрепления микроорганизмов. Для этого команда скомбинировала PhosCage с арамидными нановолокнами и, используя синергию физического переплетения и химического сшивания, в промышленном масштабе получила двухсетевые композитные аэрогельные микросферы AC-POC. Внутри микросферы имеются сообщающиеся поровые каналы, а переплетающиеся внутри фосфатные и карбоксильные группы создают мощную синергетическую донорно-электронную координационную среду, эффективно снижающую энергетический барьер координации уранил-ионов, то есть энергетический порог, который необходимо преодолеть до начала химической реакции. Это облегчает протекание реакции захвата и тем самым повышает эффективность захвата уранил-ионов.
Исследования показывают, что в многокомпонентной конкурентной системе AC-POC демонстрирует высокую селективность; после 15 дней непрерывной работы в естественной морской воде его динамическая ёмкость по извлечению урана составляет 22,55 мг/г, что в 3,8 раза превышает соответствующий базовый показатель Министерства энергетики США. Кроме того, отрицательный поверхностный заряд микросфер подавляет прикрепление микроорганизмов и образование биоплёнок, что способствует повышению стабильности материала в реальной морской среде.
Данное исследование заполняет пробел в области применения пористых органических клеточных материалов для извлечения урана из морской воды, а также закладывает теоретическую и инженерную основу для проектирования устойчивых адсорбционных материалов для извлечения урана из морской воды с высокой устойчивостью к биообрастанию, высокой селективностью и высокой ёмкостью.