膜辅助技术从煤灰中高效提取铀：核燃料循环的新策略及其动力学机制解析

为解决煤灰中铀资源回收效率低、分离困难的问题，研究人员开发了一种基于膜系统的创新提取方法。通过实验验证，该方法实现了96.7%的高效铀浸出率，并建立了二阶反应动力学模型和扩散模型描述过程机制。研究为核燃料循环的可持续发展和废弃物资源化提供了关键技术支撑。

　　

随着全球对清洁能源需求的增长，核能因其低碳特性成为重要选择，而铀作为核燃料的核心原料，其可持续供应面临挑战。传统铀矿开采存在环境破坏和资源枯竭问题，而煤燃烧产物——飞灰中铀的浓度可达原煤的10倍以上，却因颗粒细小、易形成胶体难以分离。这一矛盾促使科学家探索高效回收技术。

波兰国家科学中心（National Science Centre, POLAND）的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表研究，提出了一种膜辅助铀提取新方法。通过实验分析，团队发现煤飞灰中铀含量达13.6±1.1 mg/kg，采用硝酸浸出结合超滤膜（MWCO 14 kDa）分离，实现96.7%回收率。研究首次建立二阶动力学方程描述铀氧化过程（k=3.58×10^?4 kg·mg^?1·min^?1），并通过菲克定律验证膜扩散系数（P=0.75 cm/min），为工业化设计提供关键参数。

关键技术包括：1) γ能谱法（HPGe探测器）测定飞灰铀同位素活性；2) 硝酸钙煅烧预处理（900°C）增强铀浸出效率；3) 液体闪烁计数（LSC）追踪铀迁移；4) 超滤膜分离胶体与溶液相。

研究结果部分：
3.1 原料特性
飞灰中²³⁸U活性达158±8 Bq/kg，同位素比值符合天然丰度，证实铀主要以UO₂形式存在。

3.2 铀浸出动力学
数据拟合显示浸出过程符合二阶动力学（R²=0.98），50%铀在8.75小时内释放，氧化反应速率与U(IV)浓度平方成正比。

3.3 膜扩散机制
铀跨膜传输47小时达平衡，渗透系数P=0.75±0.3 cm/min，符合指数方程U_out=U_in(1?e^?Pt)。

该研究通过多尺度模型解析，解决了煤灰铀回收中胶体分离难题。膜技术的引入简化了传统离心/过滤流程，而动力学参数为放大设计提供理论依据。尽管未评估共存金属离子干扰，但该方法为核燃料循环的"城市矿山"开发开辟新路径，兼具环境修复与资源再生双重价值。研究团队指出，未来需验证复杂基质下的膜稳定性，但当前成果已为燃煤电厂废弃物增值利用提供可行方案。