Новый адсорбент селективно извлекает уран из морской воды

Одна из руд урана — минерал отенит

В океанической воде растворено огромное количество солей урана — около четырех миллиардов тонн в пересчете на уран. Это примерно в тысячу раз больше разведанных запасов урана в месторождениях на суше и вполне достаточно, чтобы удовлетворить потребности атомной энергетики на века. Проблема в том, что уран в океане более или менее равномерно распределен по всему объему воды, а его концентрация составляет всего около трех миллиардных долей. Это означает, что для эффективной добычи нужно «процеживать» огромные массы воды и извлекать из нее уран с как можно меньшим количеством примесей. Химики из США, похоже, смогли разработать подходящий для этого адсорбент, подсмотрев решение у некоторых живых организмов, которые используют специальные молекулы для избавления от избытков железа.

Из вод Мирового океана уже добывают некоторые химические элементы и их соединения. Самый очевидный пример — хлорид натрия, для которого моря и океаны служат практически неисчерпаемым источником (в отличие от соляных шахт и соленых озер). Другие металлы — магний, калий и кальций — тоже добывают из морской воды в промышленных масштабах, причем такая добыча наносит меньший вред окружающей среде, чем разработка наземных месторождений (U. Bardi, 2010. Extracting minerals from seawater: an energy analysis). И хотя этих металлов в воде меньше, чем натрия, добывать их относительно несложно: морскую воду упаривают или медленно охлаждают, и их соли, отличающиеся меньшей растворимостью, осаждаются в первую очередь.

В морской воде содержатся и более ценные химические элементы — медь, никель, ванадий и уран. Но их концентрации гораздо меньше, поэтому надежных и экономически выгодных способов добычи этих металлов пока нет (P. Loganathan et al., 2017. Mining valuable minerals from seawater: a critical review). В последние годы особое внимание уделяется разработке методов извлечения из воды урана. Интерес к урану, естественно, объясняется той ролью, которую один из его нуклидов играет в мировой энергетике, — тем более что, по среднесрочному прогнозу МАГАТЭ, потребность в ядерной энергии будет оставаться высокой.

Над задачей получения урана из морской воды ученые трудятся уже около полувека. Извлекать уран и другие редкие элементы из морской воды тем же способом, что и натрий, не получается: малые концентрации не позволяют проводить эффективное осаждение. Наиболее перспективным методом видится использование адсорбирующего материала, который мог бы сначала захватить требуемые ионы из воды, впитав их как губка, а потом легко «отпустить» их. Попытки извлечь уран из морской воды с помощью адсорбентов предпринимались неоднократно. Исследователи пробовали использовать слоистые неорганические материалы (M.-L. Feng et al., 2016. Efficient removal and recovery of uranium by a layered organic–inorganic hybrid thiostannate), модифицированные белки (L. Zhou et al., 2014. A protein engineered to bind uranyl selectively and with femtomolar affinity) и ионообменные смолы, содержащие хелатообразующие фрагменты (A. Sather et al., 2010. Selective recognition and extraction of the uranyl ion). Хелатирующие (от лат. chela — «клешня») лиганды часто применяются в извлечении, обогащении и разделении переходных металлов: связываясь с ионом металла несколькими центрами, как клешнями, они образуют устойчивые комплексы.

Наиболее эффективные адсорбенты урана, известные к настоящему времени, содержат амидоксимные (amidoxime) или имид-диоксимные (imide-dioxime, H3IDO) функциональные группы. Эти молекулярные фрагменты часто применяются как рецепторы для связывания уранил-катиона (UO22+) — именно в этой форме уран чаще всего содержится в морской воде. Стратегия разработки адсорбентов следующая: группу H3IDO, связывающую уранил-катион, прививают к полиакрилонитрилу, получая нерастворимый в воде адсорбент, через который можно пропускать морскую воду. Адсорбционная емкость таких модифицированных полимеров может превышать 4 грамма урана на один грамм адсорбента (Q. Sun et al., 2018. Bio-inspired nano-traps for uranium extraction from seawater and recovery from nuclear waste).

Но даже у самых лучших адсорбентов урана из морской воды есть ахиллесова пята — их низкая избирательность. Все известные материалы, поглощающие уран, не могут использоваться для промышленного извлечения урана из воды, так как они не менее (а иногда — и более) прочно, чем с ураном, они связываются с ионами ванадия (VO3+), содержание которых в воде превышает содержание урана. Поэтому даже самый эффективный материал, поглощающий уран, связывает еще больше производных пятивалентного ванадия (A. S. Ivanov et al., 2017. Origin of the unusually strong and selective binding of vanadium by polyamidoximes in seawater). Из-а этого регенерация адсорбента для его повторного применения требует дорогих реагентов и жестких условий, а кроме того, после выделения урана появляется необходимость отделять соединения урана от соединений ванадия, что также требует дополнительных затрат (сам ванадий, полученный таким способом, никому особо не нужен: после отделения он неизбежно будет содержать примеси урана и «фонить»). Значит, нужны материалы, которые поглощали бы из морской воды исключительно уран — или хотя бы обладали гораздо меньшей адсорбционной способностью к VO3+ и другим ионам, близким по структуре и электронным свойствам к уранил-иону.

Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, работающие под руководством Александра Иванова (Aleksandr Ivanov) и Джона Арнольда (John Arnold), решили обратить внимание на сидерофоры (Siderophore) — железопереносящие белки. Это класс хелатообразующих соединений с азотными и кислородными донорными группами (см. Донорно-акцепторное взаимодействие), которые используются некоторыми видами бактерий и грибков как резервуары для секвестирования избытков железа. Они рассматриваются как потенциальные лиганды для связывания f-элементов, к которым относится уран (L. Mullen et al., 2007. Complexation of uranium (VI) with the siderophore desferrioxamine B). У сидерофоров, полученных искусственным путем, чрезвычайно высокое сродство к железу, однако пока известно очень мало примеров комплексов f-элементов с сидерофорами.

Лиганды для селективного распознавания металлосодержащих ионов

На основании предварительных оценок прочности различных комплексов сидерофоров с металлами ранее уже предполагалось, что ионы железа в степени окисления +3 (Fe3+) и уранил-катион (UO22+) должны практически одинаково реагировать с кислород- и азотсодержащими сидерофорами. Опираясь на эту гипотезу, авторы обсуждаемой статьи синтезировали искусственный сидерофор — бис[гидрокси(метил)амино]-4-морфолино-1,3,5-триазин (H2BHT). Затем они модифицировали сополимер этилена и акриловой кислоты, связав с ним этот лиганд.

Адсорбционная емкость нового материала в отношении урана была ниже, чем у известных адсорбентов, — всего 0,1 грамм урана на грамм адсорбента. Но зато наличие в растворе, из которого шло поглощение урана, ионов, содержащих ванадий, не влияло на связывание материалом урана: у «полимеризованного» сидерофора H2BHT сродство к производным урана (VI) оказалось гораздо больше, чем к производным ванадия (V), если сравнивать его с другими известными тридентатными лигандами (см. Tridentate ligand) O,N,O-типа (в том числе и с уже упоминавшимся лигандом H3IDO).

Взаимодействие хелатирующего лиганда H2BHT с уранил-катионом

В результате новый адсорбент связывает только уранил-ионы, а адсорбированный уран можно легко «отмыть» от адсорбента, просто обработав его слабощелочным водным раствором (например, раствором карбоната натрия). Щелочная среда способствует тому, что донорные атомы лиганда H2BHT приобретают частично отрицательный заряд, их связь с оксокатионом (см. Oxycation) уранила ослабляется, и в результате связь адсорбент-катион разрушается. Эта процедура не только позволяет собрать уран, связанный адсорбентом, но и регенерирует сам адсорбент, который затем может использоваться повторно. Еще одной важной деталью исследования можно назвать то, что адсорбирующая способность практически не теряется при переходе от низкомолекулярного соединения H2BHT к полимеру, содержащему фрагменты этого лиганда в боковых цепях. Увы, но у многих низкомолекулярных лигандов, хорошо связывающих определенные ионы металлов и неметаллов, в составе высокомолекулярного соединения значительно понижалось, а иногда и терялось сродство к «своим» металлам.

В дальнейшем исследователи планируют развивать свой успех в двух направлениях. Во-первых, очевидно, что перспективно получение специфического адсорбента урана с более высокой емкостью, — при такой легкости отделения урана от модифицированного адсорбента это не должно быть сложной задачей. Во-вторых, аналогичные методы могут помочь разработать лиганды, которые смогут использоваться для извлечения из морской воды и других важных металлов: не стоит забывать, что золота в мировом океане растворено не меньше, чем урана, а получать этот металл из воды человечество пока еще тоже не научилось.

Источник: Alexander S. Ivanov, Bernard F. Parker, Zhicheng Zhang, Briana Aguila, Qi Sun, Shengqian Ma, Santa Jansone-Popova, John Arnold, Richard T. Mayes, Sheng Dai, Vyacheslav S. Bryantsev, Linfeng Rao, Ilja Popovs. Siderophore-inspired chelator hijacks uranium from aqueous medium // Nature Communications. 2019. V. 10. Article number: 819. DOI: 10.1038/s41467-019-08758-1.

Аркадий Курамшин

Related Posts

На Луне обнаружили пещеры с комфортной для астронавтов температурой

Научное сообщество США обсуждает постройку базы на Луне. Для этого могут использоваться ландшафтные углубления с умеренной температурой, в которых «может поместиться город Филадельфия»

Трафик в космосе: кто включит светофор и установит правила движения?

Несмотря на международную напряженность, контроль за космическим трафиком и его регуляция переходит в США к гражданскому ведомству

Шнобелевская премия: кто получил награду за самые странные научные открытия в 2022 году?

В ночь с 15 на 16 сентября в Гарвардском университете прошла церемония вручения Шнобелевской премии – сатирической награды, призванной привлечь внимание общественности к самым странным открытиям и исследованиям. На сайте оргкомитета премии говорится, что награда вручается за «достижения, которые сначала заставляют людей смеяться, а затем – задуматься». Вручение Шнобелевской премии стало уже 32-м по счету; все желающие могли понаблюдать за церемонией в ходе прямой трансляции. Победителям вручают бумажные цилиндры, которые символизируют «контейнер для хранения знаний», а также 10 трлн зимбабвийских долларов одной банкнотой – правда, эти купюры уже вышли из обращения. Ниже представлен список победителей премии 2022 года: История искусства Награду получили ученые из США, Гватемалы, Австрии и Нидерландов за свое мультидисциплинарное исследование «сцен с ритуальными клизмами на древней керамике майя». Исследуя полихромную керамику позднеклассического периода майя, исследователи обнаружили не только известные ученым сцены – охоту, игры с мячом, жертвоприношения – но и изображения клизм, используемых для ритуальных целей. Физика Сразу двум коллективам ученых из США, Великобритании, Турции и Китая вручили награду в категории «Физика» за попытку объяснить, «как утятам удается плавать строем». В опубликованных исследованиях одним из ключевых аспектов стал вопрос энергоэффективности движения утят при соблюдении определенного строя на воде. Литература Ученые из США, Канада, Великобритании и Австралии стали лауреатами премии за объяснение, почему «юридические документы так сложно понять». Исследователи проанализировали реакцию 108 человек на ряд документов, пытаясь понять, какая из особенностей письма делает чтение наиболее трудным. В числе таких особенностей – непривычное написание с заглавных букв, использование устаревшей и специфичной лексики, употребление страдательного залога и сложноподчиненные конструкции в середине предложения (последний пункт, как выяснилось, вызывает наибольшие затруднения). Прикладная кардиология Премию также получили исследователи из Великобритании, Швеции, Германии, Чехии, Нидерландов и Арубы за свидетельства того, что «сердцебиение влюбленных, которые понравились друг друг при первой встрече, начинает синхронизироваться». Для того, чтобы прийти к подобным выводам, им пришлось измерить, как бьются сердца 140 человек в Нидерландах. Биология Специфику романтических отношений анализировал и бразильско-колумбийский коллектив ученых, правда, в немного ином ключе. Победители в категории «Биология» изучали, влияют ли запоры на перспективы спаривания скорпионов. В частности, их интересовали запоры вследствие метасомальной аутотомии – ситуации, когда скорпион добровольно теряет заднюю часть тела вместе с секцией пищеварительного тракта, чтобы уйти от хищников. Медицина Польские исследователи получили Шнобелевскую премию, доказав, что для некоторых типов химиотерапии пациентам удастся уменьшить интенсивность побочных эффектов, если заменить один из компонентов лечения мороженым. Речь идет об оральном мукозите – одном из побочных эффектов у пациентов, проходящих лечение от онкологических заболеваний. В качестве профилактики врачи иногда дают им кусочки льда – однако, исследований, подтверждающих, что лед может быть заменен на мороженое, еще не было. Премия мира Коллективу ученых из США, Австралии, Китая, Канады и целого ряда европейских стран Шнобелевская премия была присвоена за алгоритм, «помогающий сплетникам решать, когда говорить правду или лгать». Чтобы понять, какая логика движет любителями сплетен, авторы исследования проверяли свои гипотезы, основываясь на поведении участников четырех предложенных игр. Инженерия Ученые из Японии стали лауреатами премии за попытку найти самый «эффективный способ использования пальцев при повороте дверной ручки». В этом исследовании им помогали 32 студента, вращавшие деревянные ручки разного диаметра. Экономика Найти ответ на извечный вопрос попытались ученые из Италии: им предстояло найти математическое объяснение тому, почему успешными становятся не самые талантливые люди, а самые удачливые. Для некоторых авторов данного исследования Шнобелевская премия стала уже второй: в 2010 году они получили ее за математическое доказательство, что организации могут стать более эффективными, если повышения будут предоставляться сотрудникам на случайной основе. Техническая безопасность По словам исследователя Магнуса Генса, получившего Шнобелевскую премию в категории «Техническая безопасность», ежедневно на дорогах одной только Швеции гибнут в среднем 13 лосей. Чтобы помочь автопроизводителям учесть эту проблему при создании более безопасных машин, он создал манекен лося для автомобильных краш-тестов.

После серьезного «хакерского взлома», сервис Uber продолжил работу

Служба заказа такси Uber заявила, что ее система функционирует в рабочем режиме после того, что ее специалисты по безопасности назвали «серьезной утечкой данных»

Как превратить ненужный пластик в полезный материал

Ученые из университета штата Вашингтон разработали новый способ переработки и использования полиактида, биоразлагаемого пластика, который хоть и расщепляется в природных условиях, все равно наносит окружающей среде огромный вред.

Автопром будущего

На чем мы будем ездить через несколько лет и почему?

Добавить комментарий