從海水提煉鈾

■史丹佛大學的化學家崔屹開發出了一種新的電化學方法,可以大幅提高從海水中提煉鈾的能力。

Courtesy: L A Cicero

撰文|陳勁豪

對核能發電來說,鈾礦的重要性不言可喻,因為沒有鈾礦就沒有燃料棒,沒有燃料棒就沒辦法進行核能發電。一般估計,陸地上約有七百六十萬噸的鈾礦。聽起來很多,但是開採起來不但麻煩,且開礦提煉的過程中,會對自然環境造成相當大的破壞與污染,因此科學家一直想要開發出新的提煉鈾礦的方法。

所以科學家把希望寄託在海水裡。根據估計,海水裡面約有四百億噸的各式重金屬。這些重金屬主要是來自地殼變動還有雨水把地面上的礦物質溶解所得。當然,這些重金屬裡面也含有鈾。只要有辦法從海水裡面把鈾提煉出來,應該可以減低對陸地上鈾礦的依賴。

只是問題沒有這麼簡單。海水中的鈾主要是以帶兩個正電荷的二氧化鈾離子型態存在,含量約是3ppb,或是每一公噸的海水約含有0.003克的鈾。目前從海水中提煉鈾的方法是用偕胺肟基功能高分子膜(amidoxime polymer)來吸收鈾離子。這種高分子膜的問題是,吸收率決定於高分子膜的表面面積,而水中有太多的帶正電離子,例如鈉離子跟鉀離子,會在鈾離子被這個高分子膜吸收之前就先被高分子膜吸收,因此大幅減低鈾離子的吸收效率。另外,當高分子膜吸收太多帶正電的離子的時候,因為同性相斥的緣故,帶正電的離子膜會讓帶正電的鈾離子更難被吸收。

史丹佛大學的崔屹教授為此開發出了一個新方法。他們利用電化學的方法對海水通電。當對海水通電的時候,帶正電的離子會往電極的陰極移動。他們的關建在於利用特定頻率的邁衝電壓使得帶正電的鈾離子前進到陰極,被這個偕胺肟基功能高分子膜吸收,進而吸收陰極中的電子,最後以二氧化鈾的固體型態沈積在陰極附近。這個方法可以適用於各種鈾離子濃度的海水,而且由於鈾離子會沈積,因此不會影響高分子膜的吸附面積,因此可以大幅提高萃取鈾離子的效率。

這個新的提煉鈾的方法只需要海水跟電解,而且目前看不出有相當明顯的污染問題,所以如果可以大量推行的話,應該有機會可以改變我們獲得鈾的方式。最重要的關建在於這種方法因為海水的鈾含量太少,所以需要大量的電力跟大量的海水才能萃取出足夠份量的鈾。因此至少要讓電力成本可以低於陸地採礦的成本,這個方法才會有機會商業化。這可能還要等上一段時間,不過這已經是相當重要的一步了。

原始論文
A half-wave rectified alternating current electrochemical method for uranium extraction from seawater
Nature Energy 2, Article number: 17007 (2017)
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Physics World 2017/02/23: Nuclear energy may come from the sea
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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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