Combinando química fundamental com recursos de computação de alto desempenho no ORNL, pesquisadores demonstram um método mais eficiente para recuperar urânio da água do mar, revelando um protótipo de material que supera os melhores adsorventes de urânio da classe. Crédito:Alexander Ivanov / Laboratório Nacional Oak Ridge, Departamento de Energia dos EUA.
Os cientistas demonstraram um novo material bioinspirado para uma abordagem ecológica e econômica para recuperar o urânio da água do mar.
Uma equipe de pesquisa do Oak Ridge e Lawrence Berkeley National Laboratories do Departamento de Energia, a Universidade da Califórnia - Berkeley, e a University of South Florida desenvolveu um material que liga seletivamente o urânio dissolvido a um polímero adsorvente de baixo custo. Os resultados, publicado em Nature Communications , poderia ajudar a superar os gargalos no custo e na eficiência da extração de recursos de urânio dos oceanos para a produção de energia sustentável.
"Nossa abordagem é um salto significativo, "disse a co-autora Ilja Popovs da Divisão de Ciências Químicas do ORNL." Nosso material é feito sob medida para selecionar o urânio em vez de outros metais presentes na água do mar e pode ser facilmente reciclado para reutilização, tornando-o muito mais prático e eficiente do que os adsorventes desenvolvidos anteriormente. "
Popovs se inspirou na química de microorganismos famintos por ferro. Micróbios como bactérias e fungos secretam compostos naturais conhecidos como "sideróforos" para extrair nutrientes essenciais como o ferro de seus hospedeiros. "Basicamente, criamos um sideróforo artificial para melhorar a maneira como os materiais selecionam e ligam o urânio, " ele disse.
A equipe usou métodos computacionais e experimentais para desenvolver um novo grupo funcional conhecido como "H 2 BHT "—2, 6-bis [hidroxi (metil) amino] -4-morfolino-1, 3, 5-triazina - que seleciona preferencialmente íons de uranila, ou urânio solúvel em água, sobre íons metálicos concorrentes de outros elementos na água do mar, como o vanádio.
A descoberta fundamental é apoiada pelo desempenho promissor de uma prova de princípio H 2 Adsorvente de polímero BHT. Os íons de uranila são prontamente "adsorvidos, "ou ligado à superfície das fibras do material devido à química única de H 2 BHT. O protótipo se destaca entre outros materiais sintéticos por aumentar o espaço de armazenamento de urânio, produzindo um material altamente seletivo e reciclável que recupera o urânio de forma mais eficiente do que os métodos anteriores.
Com um método de recuperação prático, a extração de água salgada oferece uma alternativa sustentável à mineração terrestre de urânio que poderia sustentar a produção de energia nuclear por milênios.
Os depósitos de urânio são abundantes e reabastecíveis na água do mar por meio da erosão natural das rochas e do solo que contêm minério. Apesar das concentrações diluídas, aproximadamente 3 miligramas de urânio por tonelada de água do mar, os oceanos do mundo mantêm estoques massivos do elemento, totalizando cerca de quatro bilhões de toneladas - um suprimento 1000 vezes maior do que todas as fontes terrestres juntas.
O desenvolvimento de adsorventes de urânio eficientes para aproveitar este recurso potencial, Contudo, tem sido uma busca indescritível desde 1960.
“O objetivo é desenvolver materiais adsorventes eficientes e de baixo custo que possam ser processados em condições amenas para recuperar o urânio, e também reutilizado para vários ciclos de extração, "disse Alexander Ivanov do ORNL, que realizou estudos computacionais de H 2 BHT.
Apoiado pelo programa DOE de Pesquisa e Desenvolvimento do Ciclo de Combustível de Energia Nuclear, a equipe se concentrou em determinar os fatores subjacentes que influenciam a seletividade e aumentam o volume de urânio recuperável com novos materiais.
Estudos anteriores sobre compostos à base de amidoxima revelaram uma atração fundamentalmente mais forte pelo vanádio sobre o urânio, que pode ser difícil de superar. O desenvolvimento de H 2 BHT oferece uma abordagem alternativa, usando materiais não amidoxima, para direcionar melhor o urânio em ambientes de água com metais mistos.
A seletividade tem sido um obstáculo no caminho para materiais adsorventes mais eficientes. Avanços iniciais, impulsionado por tentativa e erro, descobriram que grupos funcionais baseados em amidoxima ligam efetivamente o urânio na água, mas fazem um trabalho ainda melhor na recuperação do vanádio, embora o último tenha uma concentração comparativamente mais baixa na água do mar.
"O resultado é que os materiais à base de amidoxima, os atuais favoritos para adsorventes disponíveis comercialmente, encher mais rapidamente com vanádio do que urânio, que é difícil e caro de remover, "disse Popovs.
As soluções ácidas altamente concentradas usadas para remover o vanádio são um gasto maior em comparação com soluções de processamento suaves ou básicas e são sobrecarregadas por fluxos de resíduos cáusticos. Além disso, o processamento de ácido pode danificar as fibras do material, que limita sua reutilização, tornando o custo de adoção comercial proibitivo.
"Para funcionar como um conceito ampliado, idealmente, elementos indesejados não seriam adsorvidos ou poderiam ser facilmente removidos durante o processamento e o material reutilizado por vários ciclos para maximizar a quantidade de urânio coletado, "disse Popovs.
Ao contrário dos materiais carregados de vanádio, o H 2 O polímero BHT pode ser processado usando soluções básicas suaves e reciclado para reutilização prolongada. Os recursos ecológicos também trazem vantagens de custo significativas para aplicações potenciais do mundo real.
O próximo passo, dizem pesquisadores, é refinar a abordagem para maior eficiência e oportunidades em escala comercial. O artigo do jornal é publicado como "Siderophore-Inspired Chelator Hijacks Uranium from Aqueous Medium."
