Tìm ra cách chiết xuất uranium từ nước biển bằng điện, nhanh hơn 3 lần phương pháp hiện tại

Nhóm nghiên cứu từ Đại học Sư phạm Đông Bắc ở thành phố Trường Xuân (tỉnh Cát Lâm, Trung Quốc) đã phát triển một điện cực để thu giữ uranium thông qua các phản ứng điện hóa.

Họ cho biết phương pháp này nhanh hơn ít nhất ba lần so với các cách hiện tại và có hiệu quả trong việc chống lại các tạp chất trong nước biển, nghĩa là có thể phù hợp cho những ứng dụng quy mô lớn.

Các nhà nghiên cứu, dẫn đầu bởi Phó giáo sư Zhao Rui và Giáo sư Zhu Guangshan, đã công bố kết quả nghiên cứu đột phá của họ trên tạp chí ACS Central Science.

Trung Quốc đang xây dựng nhiều nhà máy điện hạt nhân hơn bất kỳ quốc gia nào khác, nhưng quặng uranium của nước này có chất lượng thấp nên phải nhập khẩu để cung cấp nhiên liệu cho các lò phản ứng.

Khả năng khai thác uranium từ nước biển có thể là yếu tố thay đổi cuộc chơi với cơ cấu năng lượng của Trung Quốc và thế giới, đồng thời tiến bộ về công nghệ này đang được các nhà hoạch định chính sách và ngành công nghiệp hạt nhân theo dõi chặt chẽ.

Uranium là nguyên tố thiết yếu cho năng lượng hạt nhân kể từ năm 1942, khi nhà vật lý Enrico Fermi xây dựng lò phản ứng hạt nhân đầu tiên ở thành phố Chicago (Mỹ).

Theo truyền thống, uanium được chiết xuất từ đá tạo hóa trên mặt đất, nhưng tính chất hữu hạn của các mỏ khiến các nhà khoa học phải tìm kiếm các nguồn uranium thay thế. Địa điểm quan trọng trong số đó là các đại dương, nơi chứa khoảng 4,5 tỉ tấn uranium - gấp gần 1.000 lần so với trữ lượng uanium trên đất liền, theo Cơ quan Năng lượng Hạt nhân,

Thế nhưng, chiết xuất uranium từ nước biển là một nhiệm vụ vô cùng thách thức do nồng độ cực kỳ thấp, ở mức 3,3 phần tỉ, và sự hiện diện của các ion gây nhiễu trong môi trường biển phức tạp.

Độ khó của nhiệm vụ này giống như việc tìm một gram muối trong 300.000 lít nước ngọt, nếu không muốn nói là khó khăn hơn.

Để giải quyết thách thức này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một điện cực bằng cách phủ loại vải dệt từ sợi carbon với hai monome (các phân tử có thể phản ứng với các phân tử khác để tạo thành các cấu trúc như polyme), được polyme hóa để tạo ra vật liệu điện cực có các vết lồi và lõm cực nhỏ, được gọi là PAFs (porous aromatic frameworks).

PAFs có các điểm tạo xúc tác để chuyển ion uranium thành các hợp chất uranium, và các điểm hấp thụ nhằm thu thập các hợp chất. Bản chất xốp của vải carbon cũng giúp thu giữ các ion uranium.

Theo nghiên cứu, phương pháp điện hóa này có thể cải thiện công suất và tốc độ chiết so với phương pháp hấp phụ hóa lý truyền thống.

Giáo sư Zhu Guangshan cho biết trong bài viết: “Việc chiết xuất uranium bằng điện cực PAF (PAF-E) cho thấy sự hấp thụ cao hơn và động học nhanh hơn so với sự hấp phụ hóa lý”.

Trong các thử nghiệm được tiến hành trên nước từ Biển Bột Hải (Trung Quốc), nhóm nghiên cứu đã sử dụng điện cực để chiết xuất 12,6 miligam uranium trên mỗi gram vật liệu trong 24 ngày, mà đến thời điểm đó vẫn chưa đạt đến độ bão hòa, yheo nghiên cứu.

Các nhà khoa học cho biết phương pháp này tốt hơn hầu hết cách chiết xuất uranium từng được báo cáo khác.

Các thử nghiệm cũng cho thấy điện cực ổn định qua nhiều chu kỳ chiết, bất chấp sự hiện diện của những ion kim loại cạnh tranh trong nước biển.

Zhu Guangshan cho biết: “Tính chọn lọc tốt này là do điện áp xoay chiều đặt vào các điện cực, đẩy lùi các ion không liên kết”.

Ông cho biết các điện cực có thể mang lại một phương pháp hiệu quả hơn để tách uranium từ nước biển và nghiên cứu này đã cải thiện sự hiểu biết về các cơ chế đằng sau việc chiết uranium bằng điện hóa.

Nghiên cứu được tài trợ bởi Chương trình R&D (nghiên cứu & phát triển) trọng điểm quốc gia của Trung Quốc và Quỹ khoa học tự nhiên quốc gia của Trung Quốc.

“

Uranium thường được sử dụng để tạo năng lượng trong lò phản ứng hạt nhân. Dạng phổ biến của uranium được sử dụng trong ngành năng lượng hạt nhân là uranium-235. Khi uranium-235 phân hạch (phản ứng hạt nhân phân hạch), năng lượng lớn được giải phóng. Quá trình này tạo ra nhiệt độ lớn và tạo ra các hạt phóng xạ, làm cho nước trong lò chuyển thành hơi nước, tạo áp suất và đẩy một cánh quạt để tạo ra điện năng.

Ứng dụng khác của uranium gồm:

- Quốc phòng: Uranium cũng được sử dụng để sản xuất vũ khí hạt nhân.

- Y tế: Một số isotop của uranium có thể được sử dụng trong y tế, ví dụ như trong quá trình chụp cắt lớp vi tính (CT scans) và trong điều trị ung thư. Isotop là các dạng khác nhau của một nguyên tố hóa học, có cùng số nguyên tử (số proton) trong hạt nhân, nhưng khác về số lượng neutron trong hạt nhân. Vì vậy, isotop của một nguyên tố sẽ có cùng vị trí trên bảng tuần hoàn, nhưng có khối lượng nguyên tử khác nhau do sự khác biệt về số lượng neutron.

- Nguyên liệu năng lượng tái tạo: Uranium cũng có thể được dùng làm nguồn nguyên liệu năng lượng tái tạo trong các lò phản ứng hạt nhân loại mới, chẳng hạn như lò phản ứng hạt nhân dòng nước.

Tuy nhiên, quá trình chiết xuất uranium và sử dụng năng lượng hạt nhân cũng gặp phải nhiều thách thức liên quan đến an ninh hạt nhân, quản lý chất thải hạt nhân và lo ngại về an toàn.