各种各样的元素，构成了我们这个丰富多彩的世界。如果要在所有元素中，评选一种最让人“又爱又恨”的元素，那一定是非“铀”莫属了。铀在核武器中的应用，使不少人谈之色变。可作为一枚硬币的两面，铀又是技术成熟的清洁能源——核能的主要燃料。不仅可被用于传统的核电，铀还被广泛应用于核能供暖、核能制氢、核能海水淡化等综合利用场景。它高效地为人类提供着便利，与我们的日常生活紧密相连。
图 核能综合利用示意图 图源| 山东核电有限公司
碳达峰、碳中和，关系着人类的命运。核能作为零排放的清洁能源，被认为具有广阔的发展空间，在减少碳排放中起着重要作用。不管你是爱它还是恨它，都无法改变一个事实——人类是如此需要铀。
缺了多少铀？
作为一种重要的战略资源，铀资源与煤矿、石油等化石燃料一样，并不是无穷无尽的。如果人类不循环利用铀资源，世界上常规的铀资源大概只能用两百多年。世界铀资源分布极不均匀，主要集中在澳大利亚、加拿大、哈萨克斯坦、纳米比亚和尼日尔，这5个国家的铀资源储量之和占全球总资源量的65%。
中国是核电大国（装机容量世界排名第三），但铀矿资源在我国的储量却并不丰富，并且铀矿的品质以中低品位为主。
2020年，中国铀矿资源需求量为9830吨，而同年产量仅为1885吨，缺口7945吨，约80%的铀资源需要进口。近年来，我国通过海外合作等方式获得了非洲一些铀矿的开采权（如纳米比亚湖山矿），在很大程度上能缓解我国当前铀资源严重不足的情况。然而，随着我国核电装机容量的持续增加，国内学者及国际原子能机构预测，到2030年我国将有可能取代美国成为全球第一铀矿资源需求国，届时铀矿资源缺口将达90%左右。
图 2011—2020年我国核电装机容量变化。按照“十四五”规划，我国核电装机容量将于2025年达到7000万千瓦。数据源| World Nuclear Association，国家统计局数据库
图 2011—2020年我国铀供求关系走势 数据源| World Nuclear Association，国家统计局数据库
大海捞“铀”
既然陆地上的铀矿资源有限，我们是否可以向大海要铀？
实际上，海水中的铀资源超乎我们的想象。海水是一个巨大的液体铀矿，据科学家估计，海水中约含有45亿吨铀，是陆地上已探明铀矿储量的上千倍。除此之外，海水中的铀也在缓慢增加，每年随河流迁入海洋的铀约有2.7万吨。如能将海水中的铀收集起来加以利用，可以满足人类上千年核能发展的需要。而且，相对于陆地采矿取铀，海水提铀对生态环境的影响更小。
早自上世纪50年代，同样因为对陆地铀资源储量的担忧，英国发起了与海水提铀相关的“牡蛎计划”。英国档案馆保存的解密文件中，讲述了早期无机吸附剂、液液萃取等海水提铀的开创性研究，以及确定了一批能够建立吸附床和回收设施的地点。
图 哈威尔成立于1946年，是英国第一家原子能研究基地。现有的文献记载中，英国哈威尔的学者最早进行了海水提铀的实验。图源| Office for Nuclear Regulation，UK
在接下来的60余年中，海水提铀一直是各个国家（美国、日本、中国、韩国、印度等）积极研究的主题。目前，国际上最主流的方法是吸附法，其核心是研发具有高效、快速、铀吸附选择性优异等特点的材料。
上世纪80年代前，水合二氧化钛是当之无愧的明星材料。基于此，日本于80年代初建成了年产10公斤铀的海水提铀实验工厂，这是世界上第一个海水提铀工厂。然而，事实证明水合二氧化钛并不靠谱，也并不具有经济可行性。在获取了有价值的实验数据后，这个项目于1988年停止了。
1979 年，美国科学家首次报道了偕胺肟化吸附剂的应用。此后，这种新材料证明了其实力：在真实海水的吸附容量能达到0.45mg/g，并且10次循环吸附后性能依旧良好。新材料出色的表现点燃了科学家们的热情，一直到现在，含有偕胺肟基团的材料仍是海水提铀研究的主流吸附材料。
近年来，国内海水提铀研究非常活跃。中科院上海高等研究院团队基于纳米膜技术，在南海海域建设了公斤级海水提铀海试实验平台。中国工程物理研究院团队进行了3次真实海水提铀实验，将铀的吸附容量提升至3.63mg/g。中国科学技术大学、上海大学、中科院上海应用物理研究所等研究人员组成的合作团队，已在我国近海海域投放了约30公斤纤维和薄膜吸附材料，开展大规模海洋吸附试验，提铀量达到百克量级。而海南大学则开发了多种新型铀吸附材料。
图 海水提铀试验平台 图源| 中国科学院上海高等研究院
国内外学者以提高吸附剂对铀的富集能力为研究目标，开展了大量的研究。在实验室的纯铀溶液或含有少量杂质离子铀溶液中，所得吸附剂的铀吸附容量已达到1000mg/g量级。但是，它们在真实海水体系中对铀的富集能力远低于实验室结果，停留在1-10mg/g的量级。
使海水提铀难以走向工业化的原因主要是：海水中的铀浓度过低，仅为3.3 μg/L（相当于30万吨海水只蕴含约1公斤铀元素）；而杂质离子，特别是K、Na、Ca、Mg等的浓度很高，如钠离子的浓度就是铀离子浓度的10倍。这使得海水提铀成为极具挑战性的科技难题，犹如“大海捞针”，困难重重。
图 海水中主要金属离子浓度 数据源| DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00355
图 大海捞“铀”
新的方法——膜分离预富集铀
无论采用何种材料，其核心目标都是捕捉海水中的“铀离子”，而避免过多的杂质离子。可杂质离子“兵多将广”，它们拼命地与铀离子竞争吸附剂上的活性位点，降低吸附量——这就对材料的吸附选择性提出了非常高的要求。然而，仅靠单一的方法很难取得突破性的进展。
如果可以采用某种方法将铀预富集后，再进行捞取，是不是就可以降低“捞铀”的难度系数？
膜分离技术是当今分离科学中最重要的手段之一。针对不同尺寸的待分离物质，所用分离膜孔径大小也不相同。幸运的是，铀离子（UO）是个大块头，它的水合离子半径比海水中主要杂质离子的水合离子半径都要大，这就为膜分离法富集铀提供了可能。
通过精确控制分离膜孔径，使得尺寸较大的铀离子被分离膜所拦截，而尺寸较小的杂质离子可以自由穿过，以此实现海水中铀与主要杂质离子的选择性分离，进而达到降低杂质离子浓度、富集铀的目地。
图 膜分离法富集铀示意图 图| 初剑
基于这一设想，中科院近代物理研究所的科研人员制备了一种甘氨酸交联的新型氧化石墨烯膜，相关研究于近期发表在上。这种具有超小孔径的膜材料，不但能满足铀和杂质离子分离的要求，还克服了氧化石墨烯膜在水溶液中易溶胀的缺陷，在水溶液中可长期保持稳定。
研究者们详细研究了该膜在单一离子溶液和模拟海水两种体系下的表现：发现该膜对铀的截留率接近100%，并且仅明显富集模拟海水中的铀，而杂质离子浓度基本保持不变。
图 用于预富集铀的过滤装置示意图 图| 初剑
研究表明，这种新型的氧化石墨烯膜可以作为一种候选材料用于海水中铀的预富集。膜分离预富集铀的方法和传统方法相结合，有望有效提高海水提铀的效率。
图 GO-Gly膜（a）及其分别对单一离子溶液（b）和模拟海水（c）中铀和杂质离子的分离和富集性能 图| 初剑
展望
实际上，对于海水提铀研究来说，目前仍处于一个百家争鸣的状态。比如，近年来电化学方法被引入到海水提铀的实验中，也在蓬勃发展。
科学家们寄希望于更低成本手段的出现，这是由于：新的铀矿被探明、一些高成本的铀矿可被利用、乏燃料后处理技术的进步和第四代核电技术的发展等因素，都不断向降低海水提铀成本提出挑战。学界普遍认为，只有将价格压低到国际铀价（目前约130美元/Kg），海水提铀才具有实用性。而根据美国2016年的技术成本分析，想要达到这个价格，循环使用材料的吸附容量要超过11mg/g，只能单次使用的材料的吸附容量要达到40mg/g以上。
虽然困难重重，但科学家们从未停止前进的步伐。海水提铀是一个系统工程，其涉及的每一个环节都会影响经济性的测算。2019年，中核集团牵头发起海水提铀联盟，联合全国23家研究单位，制定了海水提铀“三步走”战略，期望能于2050年前，突破制约海水提铀工业化的关键技术瓶颈，实现海水提铀的连续生产。
相信终有一天，海水提铀将不再如“大海捞针”，路在脚下，梦在远方。
作者| 初剑 白静
编辑| 刘芳
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136602
参考文献：
1. 陈军强,曾威,王佳营,马亮,杨君.全球和我国铀资源供需形势分析 [J].华北地质,2021,44(02):25-34.DOI:10.19948/j.12-1471/P.2021.02.04.
2. World Nuclear Association. The Nuclear Fuel Report: Expanded Summary–Global Scenarios for Demand and Supply Availability 2021-2040 [R], 2022.
3. 国家统计局数据库. [E], http://www.stats.gov.cn/tjsj/
4. Abney, C. W.; Mayes, R. T.; Saito, T.; Dai, S. Materials for the Recovery of Uranium from Seawater. Chem. Rev. 2017, 117 (23), 13935.
5. 中国核工业. 海水提铀“卡”在哪里？ [EB/OL]. (2021-05-06). https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_12543786.
6. Davies, R. V.; Kennedy, J.; McIlroy, R. W.; Spence, R.; Hill, K. M. Extraction of Uranium from Sea Water. Nature 1964, 203 (4950), 1110-1115. DOI: 10.1038/2031110a0.
7. 国家核安全局. [核能]核燃料能够供人类使用多久？[EB/OL]. (2016-03-30) https://nnsa.mee.gov.cn/ztzl/kpcl/201604/t20160406_334725.html.
8. 海水取铀[J]. 中学化学教学参考,1994(05):50.
9. 汪小琳，文君. 海水提铀[M]. 北京：科学出版社出版，2020.
10. 科技日报. 海里“捞”铀！我国成功开展功能纳米膜公斤级海水提铀海试试验[EB/OL]. (2021-06-29).https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/6/460484.shtm.
11. 中国科学报. 海里“捞”铀为核电纾困[EB/OL]. (2021-06-28). https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/6/363554.shtm.
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编辑：乐子超人
