Các đại dương bao phủ hầu hết bề mặt Trái đất và là nơi có môi trường sống đa dạng bậc nhất. Hơn thế nữa, đại dương cũng là nơi chứa đựng một lượng ion uranium loãng. Nếu chúng ta có thể tách những ion đặc biệt này ra khỏi nước biển, chúng có thể là nguồn nhiên liệu bền vững để tạo ra năng lượng hạt nhân. Các nhà nghiên cứu mới đây đã công bố trên Tạp chí ACS Central Science về phát triển một loại vật liệu để sử dụng cho quá trình chiết xuất điện hóa, thu các ion uranium khó lấy từ nước biển hiệu quả hơn các phương pháp truyền thống.
Các lò phản ứng năng lượng hạt nhân giải phóng năng lượng được lưu trữ tự nhiên bên trong nguyên tử và biến nó thành nhiệt và điện bằng cách phá vỡ nguyên tử theo đúng nghĩa đen – được gọi là phân hạch. Uranium đã trở thành nguyên tố được sử dụng hiệu quả nhất cho quá trình này vì tất cả các dạng của nó đều không ổn định và có tính phóng xạ, khiến nó dễ dàng bị phân chia. Hiện nay, kim loại này được khai thác từ đá, nhưng trữ lượng quặng uranium là hữu hạn. Cơ quan Năng lượng hạt nhân của OECD (trụ sở tại Pháp) ước tính có khoảng 4,5 tỉ tấn uranium lơ lửng trong các đại dương toàn cầu dưới dạng các ion uranyl hòa tan, gấp hơn 1.000 lần so với lượng trên đất liền. Tuy nhiên, việc chiết xuất các ion từ nước biển gặp nhiều rào cản vì các đại dương trên trái đất nồng độ uranium cực thấp với 1 tấn nước biển chỉ chứa 3,3 mg uranium và sự hiện diện của nhiều ion hòa lẫn trong môi trường biển. Vì vậy, nhóm các nhà khoa học do Rui Zhao, Guanshan Zhu dẫn đầu (tại Viện Công nghệ năng lượng sinh học và quy trình sinh học Thanh Đảo (QIBEBT) thuộc Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc) đã tiến hành các nghiên cứu, phát triển một vật liệu điện cực có thể được sử dụng trong quá trình thu giữ điện hóa các ion uranium từ nước biển.
Loại vải phủ mới này tích lũy hiệu quả uranium (màu vàng) trên bề mặt của nó từ nước biển có chứa uranium. (Nguồn: ACS Central Science, 2023, DOI: 10.1021/acscentsci.3c01291).
Để tạo ra các điện cực, nhóm nghiên cứu bắt đầu bằng vải dẻo dệt từ sợi carbon. Họ phủ lên vải hai loại monome chuyên dụng, sau đó được polyme hóa. Tiếp theo, họ xử lý vải bằng hydroxylamine hydrochloride để thêm nhóm amidoxime vào polyme. Cấu trúc xốp, tự nhiên của vải tạo ra nhiều túi nhỏ để amidoxime ẩn vào và dễ dàng bẫy các ion uranyl. Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã đặt vải tráng phủ làm cực âm trong nước biển có nguồn gốc tự nhiên hoặc có chứa uranium, thêm cực dương than chì và cho dòng điện tuần hoàn chạy giữa các điện cực. Theo thời gian, các chất kết tủa gốc uranium màu vàng sáng tích tụ trên vải cathode. Trong các thử nghiệm sử dụng nước biển thu thập từ Biển Bột Hải, các điện cực đã chiết xuất được 12,6 miligam uranium trên mỗi gam vật liệu hoạt tính được phủ trong 24 ngày. Công suất của vật liệu phủ cao hơn hầu hết các vật liệu chiết xuất uranium khác mà nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm. Ngoài ra, sử dụng điện hóa học để bẫy các ion nhanh hơn khoảng ba lần so với việc chỉ để chúng tích tụ tự nhiên trên vải. Các nhà nghiên cứu cho biết công trình này đưa ra một phương pháp hiệu quả để thu giữ uranium từ nước biển, có thể mở ra các đại dương trở thành nhà cung cấp nhiên liệu hạt nhân mới.
Theo các nhà nghiên cứu, trong số các phương pháp đang được phát triển, thì hấp phụ là kỹ thuật phổ biến nhất vì tính đơn giản, tiết kiệm chi phí, hiệu quả và thân thiện với môi trường. Vật liệu hấp thụ là sự kết hợp của các enzyme chứa DNA, một loại DNA cụ thể và các vi cầu tổng hợp – một vật liệu có nguồn gốc từ sự trao đổi ion giữa các ion natri alginate và canxi. Các enzyme sẽ hoạt động như “máy dò” vì chúng chỉ hoạt động khi có liên kết với các ion kim loại cụ thể. Sau đó, các vi cầu với chuyển động hấp phụ nhanh sẽ phát huy tác dụng. Các nhà nghiên cứu cho biết so với vật liệu hấp phụ triển vọng nhất hiện có, thì vật liệu hấp phụ của Trung Quốc có khả năng phát hiện chưa từng có với độ chọn lọc ion uranium cao hơn 43 lần so với ion vanadi.
Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng uranium hòa tan trong nước biển kết hợp hóa học với oxy để tạo thành các ion uranyl mang điện tích dương. Việc chiết xuất các ion uranyl này gồm việc nhúng các sợi có chứa hợp chất gọi là amidoxime vào nước biển. Về cơ bản, các ion uranyl sẽ bám vào amidoxime. Khi các sợi trở nên bão hòa, tấm lọc được xử lý hóa học để giải phóng uranyl, sau đó chất này phải được tinh chế để sử dụng trong các lò phản ứng giống như quặng từ mỏ.
Từ khóa: uranium; chiết xuất;
– CMD&DND –
