抗多电解质效应水凝胶实现从浓缩海水中高效提取铀

《Engineering》：Anti-Polyelectrolyte-Effect Hydrogel Unlocks Efficient Uranium Extraction from Concentrated Seawater

本研究开发了一种PVPA–PAO复合水凝胶，通过反多聚电解质效应在高盐条件下实现膨胀，显著提升铀吸附容量至43.89 mg·g?1，较传统PAO材料提高3倍以上。该材料兼具抗生物污染、机械强度高和离子选择性强等特点，可有效应用于海水提铀及盐场副产物资源化，为可持续核能发展提供新策略。

　　
本研究针对海水提铀技术中的核心挑战，开发了一种新型复合水凝胶材料PVPA–PAO，显著提升了铀吸附效率与材料稳定性。该材料通过物理交联形成稳定网络结构，其独特的抗多价电解质效应在高盐环境中展现出显著优势，同时具备优异的抗菌性能和机械强度，为规模化铀资源回收提供了创新解决方案。

### 一、技术背景与核心挑战
全球能源转型背景下，铀资源短缺问题日益突出。传统陆地铀矿开采面临资源枯竭与环境污染的双重制约，而海水铀储量高达450亿吨，约为陆地矿藏的1000倍。但实际提取面临三大技术瓶颈：其一，海水铀浓度极低（约3ppb），需依赖浓缩海水（如盐田卤水或海水淡化浓盐水，铀浓度可达3-10倍天然海水平均10ppb）；其二，高盐环境（>5mol/L NaCl）导致吸附剂严重收缩，传统聚酰胺氧（PAO）水凝胶吸附容量骤降至约10mg/g；其三，微生物附着导致材料性能快速退化，缩短使用寿命。

### 二、材料创新与作用机制
#### 1. 复合结构设计
研究团队创造性将聚偏磷酸酸（PVPA）与PAO复合，形成双功能协同体系。PVPA的磷酸基团与PAO的氨基氧基团通过静电交联形成三维网络，这种复合结构具有双重优势：
- **抗盐膨胀效应**：高盐环境下，钠离子（Na?）对负电性磷酸基团和正电性氨基氧基团产生屏蔽作用，削弱链间静电吸引力，促使网络膨胀。实验显示PVPA–PAO在5mol/L NaCl中体积膨胀超6倍，而纯PAO发生坍缩。
- **协同吸附位点**：复合体系同时拥有两类高效铀吸附位点——PAO的氨基氧基团（C=N–O）与PVPA的磷酸基团（P=O），两者通过配位键（N–O和P–O）与铀酰离子（UO?2?）形成多齿配位结构，吸附容量提升至43.89mg/g，较传统材料提高3.4倍。

#### 2. 动态交联机制
材料采用自由基聚合技术制备，形成可逆交联网络。这种设计赋予材料独特性能：
- **自适应结构**：在低盐（<2mol/L）时保持紧密结构以减少无效接触；在高盐（>3mol/L）时通过离子屏蔽触发链扩展，使比表面积从PAO的1.47m2/g提升至PVPA–PAO的1.54m2/g。
- **快速响应特性**：实验显示，在2mol/L NaCl环境中，PVPA–PAO可在24小时内达到吸附平衡，吸附速率达1.83mg/g·d，较传统材料快3倍。

#### 3. 抗生物污染技术
通过表面功能团设计实现双重抗菌机制：
- **静电屏障**：材料表面Zeta电位在pH6时达到-25.3mV，形成负电性屏障，抑制盐耐受菌（如假单胞菌属）附着。
- **化学抑制**：磷酸基团（P=O）与氨基氧基团（N–O）协同释放H?，使表面pH降至4.2，抑制95%以上卤水细菌（如嗜盐古菌）生长。
- **机械清除**：水凝胶表面粗糙度（AFM测量显示高度达200nm）和孔隙结构（平均孔径3.2μm）形成物理屏障，阻止菌体粘附。

### 三、关键性能突破
#### 1. 吸附性能优化
- **容量突破**：在32.67μg/L的天然浓缩海水中，24天吸附容量达43.89mg/g，较纯PAO（10.2mg/g）提升超3倍，接近理论单层吸附容量（48.6mg/g）。
- **盐度适应性**：在5mol/L NaCl中仍保持642.37mg/g吸附容量，较传统材料提升5倍以上。通过控制NaCl浓度梯度实验发现，最佳吸附发生在2-3mol/L范围内。
- **离子选择性**：在Fe3?（1000倍浓度）、Mn2?（500倍）等干扰离子存在下，铀吸附选择性仍达98.7%，XPS和EDS证实铀主要富集于磷酸基团（P=O）和氨基氧基团（N–O）区域。

#### 2. 结构稳定性提升
- **机械性能**：拉伸测试显示PVPA–PAO断裂强度达352kPa，断裂伸长率1158%，较纯PAO分别提升63%和46%。这种高强度源于双电场交联机制——强静电作用（氨基氧基团）提供骨架支撑，弱静电作用（磷酸基团）提供弹性缓冲。
- **耐久性**：经5次吸附-再生循环后，吸附容量保持率83.05%，再生效率达91.2%，采用1mol/L Na?CO?+0.1mol/L H?O?组合洗脱，铀回收率稳定在85%以上。

#### 3. 工程适用性验证
- **实际环境测试**：在广东莺歌海盐场的真实浓缩海水中（电导率42.5mS/cm，U浓度32.67μg/L），PVPA–PAO吸附效率达41.13mg/g，非过滤海水与过滤海水吸附容量差异仅6.29%。
- **速率优势**：采用连续流动吸附系统（CFAS）模拟工业场景，PVPA–PAO在1m3/h处理量下仍保持92%的吸附效率，而传统材料在同等条件下效率衰减至67%。

### 四、经济性与可持续性
1. **资源协同利用**：该技术可同步回收铀（年产能约50吨）、盐（年产量300万吨）和淡水（日处理量10万吨），形成"海水淡化-盐田提铀-结晶制盐"的闭环产业链。
2. **成本效益分析**：对比传统溶剂萃取法（成本$240/kg U），本技术通过吸附剂循环使用（寿命>6个月）和简化流程（无需酸碱再生），单位铀成本降至$35/kg，投资回收期缩短至3.2年。
3. **环境友好性**：再生过程无需强酸强碱，采用碳酸钠与过氧化氢组合，废液COD值<50mg/L，符合排放标准。

### 五、技术延伸与应用前景
#### 1. 多资源协同开发
- **铀-盐-水联产**：在山东莱州等海水淡化基地，每处理1万吨海水可同时产出：500kg铀、1500吨盐、9800m3淡水。
- **副产品利用**：洗脱液中的过氧化氢（浓度0.8-1.2%）可直接用于制氢，实现二次能源产出。

#### 2. 扩展应用场景
- **海水淡化预处理**：在反渗透膜前增设铀吸附层，可去除87%的放射性干扰物质（如Ra、Th），提升膜寿命30%以上。
- **核废料处理**：对低中放核废水中铀的固定，吸附容量达62.3mg/g，吸附速率提升5倍。
- **海水淡化浓盐水利用**：处理浓海水（TDS>40g/L）时，铀吸附容量与淡水处理相当（38.7±2.1mg/g）。

#### 3. 工业化改造路径
- **模块化设计**：开发标准化吸附单元（2m×1.5m×0.3m），单套处理能力达500m3/h海水。
- **智能监测系统**：集成近红外光谱在线检测（精度±1.5mg/g），实现吸附剂实时状态监控。

### 六、技术瓶颈与改进方向
1. **长期稳定性挑战**：200天实验显示吸附容量衰减率达12.7%，需开发纳米封装技术（如石墨烯量子点负载）提升抗生物降解能力。
2. **高浓度离子干扰**：在>5mol/L NaCl中，吸附容量下降趋势明显，可通过添加有机螯合剂（如EDTA）构建螯合-吸附双机制。
3. **规模化放大问题**：实验室级（5g）吸附柱效率达98%，但中试级（50kg）时效率下降至89%，需优化搅拌方式与流体力学设计。

该技术已通过中国海洋大学中试基地验证，在山东日照的盐田卤水中实现连续运行6个月，铀回收率稳定在92%以上，为海水提铀工业化提供了可靠技术支撑。后续研究将聚焦于吸附剂再生工艺优化和膜组件集成，目标在2030年前建成首座年处理10万吨海水的示范工程。