Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Мембрана с сосудообразными порами оказалась эффективным добытчиком урана из воды

W. Liping et al. / Nature Sustainability, 2021

Китайские химики разработали мембрану для экстракции урана из воды. Вдохновившись иерархичной структурой кровеносных сосудов, химики придумали, как воплотить ее в полимерном материале и использовать полученную мембрану в связывании ионов урана. Необычная структура пор в мембране позволила увеличить эффективность экстракции в 20 раз, пишут ученые в Nature Sustainability.

В настоящее время уран — наиболее востребованный элемент в ядерной энергетике — добывают в месторождениях на суше. Однако запасы этого элемента в воде очень велики: в Мировом океане, по оценкам ученых, содержится около 4,5 миллиардов тонн урана в разных формах, и ученые работают над синтезом соединений, способных селективно выделять уран из его очень разбавленных растворов в морской воде.

Главная проблема уже разработанных для этой цели полимеров заключается в плохом массопереносе: ионы урана забивают очень мелкие по диаметру поры, не давая другим ионам проникать в глубину материала. Из-за этого не вся поверхность полимера участвует в связывании, что уменьшает эффективность экстракции.

Группа химиков под руководством Вэнь Липина (Wen Liping) из Университета Китайской академии наук предложила синтезировать полимер с иерархичной структурой: от главных пор с большим диаметром должны были отходить боковые поры с меньшим диаметром, как кровеносные сосуды.

Сначала химики синтезировали уже известный полимер с множеством микропор, и модифицировали его реакцией с гидроксиламином. В результате этого превращения на цепях полимера появились группы, способные связывать ионы урана. Затем ученые получили из полимера мембрану, высадив его водой из раствора в диметилформамиде.

Сканирующая электронная микроскопия полученных мембран показала, что они действительно содержат широкие поры диаметром около 20 микрометров, от которых отходят более мелкие поры с диаметром 300–500 нанометров. А проведя эксперименты по масс-спектрометрии ученые выяснили, что все цианогруппы полимера успешно прореагировали с гидроксиламином, и материал готов к экспериментам по экстракции.

Химики поместили мембраны в разбавленные (8, 16 и 32 миллионные доли) растворы соли урана на 50 часов. Цвет мембран в результате экстракции стал желтым. После измерения концентраций растворов оказалось, что полимеры адсорбировали 124, 198 и 346 миллиграмм урана на грамм материала (чем больше концентрация, тем больше ионов адсорбировалось). Так авторы показали, что их материал действительно способен экстрагировать уран из воды.

Таким образом, химикам удалось получить материал с необычной структурой, способный адсорбировать ионы урана из очень разбавленных растворов. Эксперименты с микропористыми мембранами показали, что полученный материал в 20 раз эффективнее за счет иерархичной структуры своих пор. Кроме того, ученые выяснили, что большинство ионов металлов не мешает адсорбции урана, а экстракцию с одним и тем же образцом материала можно проводить несколько раз. Более того, эксперимент по экстракции из настоящей морской воды привел к адсорбции ~8,85 миллиграммов урана на грамм мембраны за 28 дней, что делает ее одной из самых эффективных среди существующих.

Ученые уже получали мембраны, способные адсорбировать различные ионы. Так, ранее мы рассказывали, как химики использовали полимерный материал для мембранной дистилляции воды.

Михаил Бойм

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.