[科普中国]-海水提铀

简介

当前标准的海水提铀技术由日本研发，利用辫形塑料纤维编成的垫子，垫子中含有用于捕获铀原子的化合物。每个垫子的长度在50到100码(约合46到91米)之间，悬浮在水下100到200码(约合91到182米)。从海水中取出后，垫子用温酸溶液漂洗以获取铀，而后再次沉入海下捕获铀原子。

国内外发展现状近年来海水提铀课题已成为各国研究的热点。海水中含有超过40亿吨的铀资源，因此对其研究有广阔的前景。但海水中铀的浓度只有十亿分之三至十亿分之四，因此研究一个具有成本效益的海水提铀方法是一个巨大的挑战。

国外发展现状从20世纪50年代开始，德国、意大利、日本、英国和美国相继展开了海水提铀的研究，但是到目前为止，还没有一个国家成功研究出具有商业可行性的海水提铀技术2。

日本广岛大学工学部设计了填充纤维状偕胺肟类吸附材料的浮体。1986年日本建成了年产10Kg铀的海水提铀实验工厂。日本是世界上第一个开发海水铀源的国家。日本是一个贫铀国，铀埋藏量仅有8000吨，因此日本把目光瞄向海洋。从1960年起，日本加快研究从海水中提取铀的方法。1971年，日本试验成功了一种新的吸附剂。除了氢氧化钛之外，这种吸附剂还包括有活性碳。这种新型吸附剂1克可以得到1毫克铀，因而用它从海水中提取铀远比从一般矿石提取铀的成本要低得多。为此，日本已于1986年4月在香川县建成了年产10千克铀的海水提取厂。同时已制定了进一步建造工业规模的海水提铀工厂的计划，预计到2000年前年产铀达1000吨。

美国近年海水提铀取得重大进展，橡树岭国家重点实验室研制的可重复使用的高容量吸附剂，希尔公司发明了一种高比表面积聚乙烯纤维，二者相结合，创造出一个能从水中快速、选择性地吸附微量贵重金属的吸附材料，被称为HiCap，其性能超过当前最好的吸附材料。

国内发展现状我国对海水提铀的研究工作始于20世纪60年代，到80年代初海水提铀技术已有了一定的基础和水平，但由于一些原因中断。近年来，海水提铀的研究有了进一步的进展，其中国家海洋局第三研究所研制的钛型吸附剂，吸附量可达650μgU/g，华东师范大学海洋资源研究室研制的海水提铀设备方法已达到世界先进水平，但迄今我国尚未建立海水提铀工厂。

1970年，华东师范大学"671"科研组，在国际上首先从海水中提取到30克铀，得到了周恩来总理的高度评价。3

背景资料核电站的运营时间达到60年或者更长时间，需要投入巨大资金建造。在建造核电站前，能源公司必须确保他们能够在未来几十年内获得价格合理的铀。陆地铀资源是否充足具有不确定性，这种不确定性一直影响着核能产业的决策。

海水中铀的蕴藏量约45亿吨，是陆地上已探明的铀矿储量的2000倍，但是浓度极低。所以海水提铀成本比陆地贫铀矿提炼成本高6倍。此外，从海水中提取铀同样在环保方面具有优势。传统的铀矿开采产生具有污染的废水，对矿工的健康构成威胁，同时也对环境产生不利影响。

截止到2012年8月，科学家在海水提铀方面不断取得进步，正快速朝着将海洋变成铀库的道路前进，从海水中提取铀距离具有经济可行性更近一步。铀提取技术的进步能够将成本降低近一半，即提取1磅（约合0.45公斤）铀的成本从大约560美元降至300美元。这种铀获取方式能够确保核能发电的未来。

提取工艺法主要方法目前海水提铀的主要方法有4：

（1）吸附法：为了回收铀，科研工作者们尝试了很多方法，吸附法是目前最有效的方法之一；

将吸附剂装入有网眼的尼龙袋中，用船拖着在海水中飘游，或将吸附剂装入吸附柱中，把海水泵入吸附柱，通过吸附剂和海水接触而吸附铀。如用水合氧化钛吸附剂，每克吸附铀量为几十至200μg。用碱性溶液(碳酸铵或碳酸钠溶液)淋洗吸附有铀的水合氧化钛，得到含铀约9mgU/L(注：U/L是：单位/公升)的淋洗液。

经过一次吸附和淋洗，铀浓度由海水中的3.3产μgU/L(注：U/L是：单位/公升)提高至淋洗液中的9mgU/L(注：U/L是：单位/公升)，提高了近3000倍。但此时的铀浓度还很低，需作进一步富集。可用阴离子交换树脂进行第二次吸附，再用中性盐溶液将离子交换树脂上的铀淋洗出来。第二次淋洗液的铀浓度达3.5gU/L(注：U/L是：单位/公升)左右，可用常规方法从这种淋洗液中沉淀铀制取铀盐产品。

（2）石灰法：这种方法用廉价的石灰与海水的镁发生反应来提取铀；

（3）生物处理法：由于有些微生物天然存在含铀的矿物或基质中，可以利用这些微生物使海水中的铀转化为不溶与水的形式；

（4）浮选法：从溶液中回收溶解态物质的浮选法有离子浮选和载体浮选；

（5）超导磁分离法：利用超导磁的超导磁场（3.5~6T）以及分选腔中磁介质的高梯度，产生巨大的磁场来分选极弱的材料；

（6）综合利用法：海水综合利用和海水提铀想结合，在获取化学资源与淡水的同时获取铀。

上述方法中吸附法是目前研究最热门的方法。目前其他方法都存在着溶剂、沉淀物、表面活性剂和海洋生物的完全吸收等问题尚未解决，故不能用来大范围的海水提铀。吸附法海水提铀由吸附、脱附、浓缩、分离等工序组成，其最重要的是要有高性能的吸附剂和高效的提取工艺。

吸附剂要具有吸附容量大、吸附速度快、选择性好、化学稳定、机械强度好、易于淋洗再生、不污染海洋等性质，且价格低廉2。

最初主要研究无机吸附剂如水合氧化钛等。为获得具有一定机械强度的水合氧化钛，曾研制出钛胶一聚丙烯酰胺凝胶吸附剂、用聚乙烯醇粘合钛一碳的复合剂等。后来发现水合氧化钛吸附剂系列的机械强度都不理想，故转到主要研究有机吸附剂。研究结果表明，合成纤维工业生产中一种产品聚丙烯腈的直接衍生物——聚丙烯酰胺喔星(polyacrylamidoxine)在铀的吸附容量、吸附选择性和机械强度等性质都优于水合氧化钛。

海水提铀的吸附剂选择的要求：

（1）吸附剂的平衡吸附量要尽可能的大；

（2）吸附剂的吸附速度尽可能快；

（3）吸附剂对铀酰离子的选择性要高；

（4）能容易快速脱附；

（5）和海水接触效率高，能充分利用自然能；

（6）在海洋环境中耐腐蚀性强，使用寿命长；

（7）可大量生产，制备简单、易回收且廉价；

（8）吸附剂对化学、机械作用力、微生物稳定；

（9）廉价海水处理装置的设计；

（10）大量海水进入方式的设计等

吸附装置和工程吸附装置应能与大量海水相接触且节能价廉。世界各国根据各自的海岸条件，研究利用天然洋流、潮汐流、波动能及泵驱动等方式，使吸附装置与大量海水接触。日本试验用机械泵把海水输送到吸附柱中，贫化海水排入大海并被洋流带走。由于这种方法需要输送大量海水，因而耗能大。德国因海岸没有暖洋流，主要研究开发在海水中移动操作的如系在船上的浮动吸附装置，以达到与洋流驱动相类似的结果。瑞典研究一种储槽利用波浪，使槽中水面比海水面海水面高，再利用水位差使海水通过吸附床。中国、美国、前苏联等也都进行着类似的工程研究。5

现有的海水提铀装置现有的海水提铀装置一般有6：

（1）水泵方式：用装在低于海面吸附床上的水泵引导海水。其特点是吸、脱附装置简单、效率高；

（2）海浪方式：这种装置可设在自然海流中或潮流中；

（3）潮汐方式：在海边筑两道堤坝，利用潮水涨落差，使跟换的海水进入吸附床；

（4）波力方式：吸附随波浪晃动来更换海水吸附铀，或将涌来的波浪引入吸附床来吸附铀；

（5）膜方式：把海水提铀和现有的膜技术相结合起来。

海水提铀存在问题海水中的铀浓度很低（3~4ppb），且有共存离子的竞争。因此，海水提铀是难度大、周期长、综合性强、涉及面广的探索性研究课题。研究海水提铀不仅可为开发新的铀资源提供理论依据和技术基础，而且也可丰富海洋化学、界面化学、低浓物理化学以及海洋化工和环境科学的内容，同时对原子能工业和其他工业的三废处置也将提供技术参考资料7。

海水提铀新工艺猜想海水提铀是一个值得研究与探索的问题，对其研究有深远的意义。研发新的方法，要敢于创新，思维不能被传统所禁锢。

海水提铀，与铀矿废水的处理有类似之处，二者的铀离子浓度都非常的低，因此在研究上可相互借鉴。但铀的存在形式又不尽相同，因此二者还是有区别的，废水处理方式不完全用于海水提铀。

目前铀废水处理方面，生物处理已经有了良好的效果，其经济效果也极其可观，已有对铀离子吞噬能力强的生物。因此，可以寻找对海水中的铀离子吸附能力强的生物，对其进行选择与培育。但前人的研究成果也不能忽视。吸附法的研究已经有了一定的进展，如果将吸附材料与生物吞噬相结合，也许会取得意想不到的效果。