Yurtiçi ve Yurtdışındaki Deniz Suyundan Uranyum Ekstraksiyon Ekipmanının Araştırma İlerlemesi
Kılavuz
Dünya okyanus suyunun toplam miktarı yaklaşık 1.37 × 1012 m3'tür ve deniz suyundaki ortalama uranyum konsantrasyonu 3,3 g / L'dir ve bunun toplam uranyum elementi rezervi 4,29 milyar tona ulaşır ki bu da kara rezervlerinin yaklaşık 1000 katıdır. Ve her yıl nehir suyu yaklaşık 27.000 ton uranyum metali toplar ve yeniler. Uzun vadede, küresel sömürülebilir uranyum kaynakları sınırlıdır. Uranyumun kıtlığına ve stratejik değerine ve uranyum mineral kaynaklarının sonluluğuna bağlı olarak, deniz suyundan elde edilen uranyum, geleneksel cevher tipi uranyum kaynakları için bir tamamlayıcı veya ikame olarak kullanılabilir. Şu anda, Japonya, Çin ve Hindistan, deniz uranyum ekstraksiyon cihazlarının yerinde genişletme deneyleri gerçekleştirdi. Bunların arasında Japonya, deniz suyundan uranyum ekstraksiyonunun araştırma sonuçlarını yarı endüstriyel üretim için kullanmışken, diğer ülkeler hala farklı ölçeklerde deniz suyu simülasyon deneyleri aşamasındadır.
Yurtdışındaki Deniz Suyundan Uranyum Ekstraksiyon Ekipmanının Araştırma İlerlemesi
1. Japonya
1980'den 1988'e kadar Japonya, deniz suyundan uranyum ekstraksiyonu için adsorban olarak hidratlanmış titanyum dioksit kullanan dünyanın ilk deneysel tesisini kurdu ve adsorpsiyon verimliliği düşüktü, sadece 0.1 mg / g. Ayrıca adsorbanın mekanik özellikleri ve deniz suyunu dolaşıma itecek güce ihtiyaç duyulması nedeniyle ekonomik maliyet artmıştır ve projeye devam edilemez.
Japonya'nın Takasaki Araştırma Enstitüsü, iki tür adsorban sistemi yapmak için radyasyon aşılama ile sentezlenen amidoksim bazlı fiberi kullandı: deniz deneyleri için istiflenmiş ve birleştirilmiş adsorban sistemleri.
Yığın adsorpsiyon cihazı
İstifli adsorpsiyon cihazının uranyum ekstraksiyon sistemi Şekil 1'de gösterilmektedir. Şekil 1'den, uranyum ekstraksiyon sisteminin yüzer bir çerçeve ve üç adsorpsiyon yatağından oluştuğu görülebilir. Yüzer çerçeve, kablolarla deniz tabanındaki ağır ankrajlarla bağlanır. Her bir adsorpsiyon yatağı, 100'den fazla adsorban yığını içerir. Her adsorban yığın, 100'den fazla adsorban fiber bezden oluşur ve her katman, ara parçalar ve somunlar ile ayrılır. Adsorban yatak denizin altında asılıdır ve yüzer çerçeve belirli rüzgar hızlarına ve gelgit akıntılarına dayanabilir Deniz suyu akışına göre bir pompa kullanıp kullanmamayı seçebilirsiniz.
Şekil 1: Yığılmış adsorbanlarla deniz suyundan uranyum ekstraksiyon sistemi
1999'dan 2001'e kadar, Japonya'nın Takasaki Araştırma Enstitüsü, Pasifik Okyanusunda yığılmış adsorbanlar kullanarak Mutsu sularında deniz suyundan uranyum ekstraksiyonu üzerine deneyler yürüttü. Deney sularının su derinliği yaklaşık 40m idi. Adsorpsiyon kafesi, amidoksimasyon ile modifiye edilmiş 144 grup dokumasız kumaştan oluşmaktadır.Her kafes 16 m2 kesit alanına ve 16 cm yüksekliğe sahiptir.Her bir grup, 29 cm uzunluğunda ve 16 cm genişliğinde 120 adet dokumasız kumaştan oluşmaktadır. Her bir dikey eksen grubunu adsorpsiyon kafesine koyun, üç adsorpsiyon kafesi dört halatla bağlanır ve yüzer çerçeve boyunca deniz suyuna daldırılır, her kafesin dikey mesafesi 1.5m'dir. Yüzer çerçeve, deniz tabanına yerleştirilmiş dört adet 40 tonluk çapa ile sabitlenmiştir. Rüzgar hızı 30m / s, okyanus akıntısı 1.03m / s ve dalga yüksekliği 10m olan deniz koşullarına dayanabilir. resim 2'de gösterildiği gibi.
Şekil 2: Deniz suyundan uranyum ekstraksiyonu için batık kafes adsorpsiyon sistemi
Deniz dalgalarının hareketi, deniz suyunun kumaşa tam olarak temas etmesini sağlar Konveksiyon ve difüzyon yoluyla, deniz suyundaki uranyum, adsorpsiyon işlemini tamamlamak için dokuma olmayan kumaş üzerine aşılanan amidoksim grubu tarafından emilir. 240 günlük deniz suyu deneyinde, 350 kg modifiye dokunmamış kumaş yaklaşık 1 kg uranyum toplandı Deney sonuçları aşağıdaki tabloda gösterilmektedir.
Tablo 1'deki veriler, uranyumun adsorpsiyonunun deniz suyu sıcaklığıyla ilişkili olabileceğini ve deniz suyunun ısınmasının adsorban üzerindeki uranyumun kimyasal adsorpsiyonunu artırabileceğini göstermektedir. Bu sıcaklık etkisi, daha fazla deneysel onay gerektirir.
Beam örgülü adsorpsiyon cihazı
Takasaki Araştırma Enstitüsü, deniz suyundan uranyum çıkarmanın toplam maliyetini düşürmek için, kiriş dokumalı bir adsorban sistemi geliştirdi ve bu sistemi değerlendirmek için Japonya'nın Okinawa denizlerinde deniz deneyleri gerçekleştirdi. Kiriş örgülü adsorban sisteminin hazırlanması ve uranyumun deniz suyu ekstraksiyonundaki uygulaması sırasıyla Şekil 3 ve Şekil 4'te gösterilmektedir.
Şekil 3: Kiriş dokumalı adsorbanın hazırlanması
Şekil 4: Kiriş dokumalı adsorban kullanılarak deniz suyundan uranyum ekstraksiyonunun şematik diyagramı
Adsorban demetinin uzunluğu deniz suyunun derinliğine bağlıdır. İşlenmiş demetlenmiş adsorbanı denize koyun ve adsorbanın altını deniz tabanına yerleştirilen radyo dalgaları tarafından kontrol edilebilen çapaya sabitleyin ve tüm demet otomatik olarak denize dikilir. Gemilerin geçişini kolaylaştırmak için setin üstü deniz seviyesinden en az 40 m. Uranyum adsorbe edildikten sonra, adsorban demetini çapadan ayırmak için kablosuz işlem kullanılır ve denizde yüzen demet, balıkçı teknesi tarafından kurtarılır.
Deney, Japonya'nın Okinawa sularında gerçekleştirildi.Kullanılan demetlenmiş adsorbentin uzunluğu 60 m ve su yüzeyinden derinlik, geçen gemilerin geçişini önlemek için 40 m'den büyüktü. Demetlenmiş adsorban, radyo ile kontrol edilebilen bir çapa üzerine sabitlenir ve toplama sırasında adsorban radyo kontrollü çapa vasıtasıyla serbest bırakılır Adsorban bırakıldıktan sonra denizde yüzer ve balıkçı tekneleri tarafından toplanır.
Deneysel sonuçlar şunu göstermektedir: 30 günlük bir adsorpsiyon süresi içinde, adsorbentin adsorpsiyon verimliliği, istifleme adsorpsiyon verimliliğinin üç katı olan 1.5 gU / kg'a ulaşabilir. Deney sırasında, Okinawa'nın sıcaklığı Mutsu'dan 10 ° C daha yüksek olan 30 ° C idi.Aynı koşullar altında, sıcaklık 10 ° C arttı. Demetlenmiş adsorbentin adsorpsiyon verimi, istiflenmiş adsorbentin 1.5 katıydı. Buna göre, aynı sıcaklıkta, demetlenmiş adsorbanın adsorpsiyon verimliliği, istiflenmiş adsorpsiyonun yaklaşık iki katıdır. Yüksek adsorpsiyon verimliliğinin olası nedeni, aynı adsorban kalitesi altında, kirişli adsorbanın deniz suyuyla temas alanının, istifli tipten daha büyük olmasıdır.
Şekil 5: Farklı deniz suyu uranyum ekstraksiyon sistemlerinin ekstraksiyon verimliliğinin karşılaştırması, ok titanyum dioksit sisteminin adsorpsiyon verimliliğini göstermektedir.
2. Amerika Birleşik Devletleri
2017 yılında, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Stanford Üniversitesi, deniz suyundan (HW-ACE) uranyum çıkarmak için yarım dalga doğrultulmuş alternatif akıma dayalı bir elektrokimyasal yöntem geliştirdi. Deney, negatif elektrot olarak amidoksim modifiye grafit keçe ve pozitif elektrot olarak grafit kullanıyor. Normal şartlar altında, çeşitli iyonlar deniz suyunda eşit olarak dağıtılır. Enerji verdikten sonra uranil iyonu (UO22 +) ve sodyum iyonu (Na +) gibi pozitif yüklü iyonlar negatif elektrot yüzeyine göç eder.UO22 + negatif elektrot yüzeyinde amidoksim grubu ile birleşir ve kademeli olarak negatif elektrot yüzeyinde biriken elektriksel olarak nötr bir bileşik oluşturur. Elektrifikasyon iptal edildikten sonra, çeşitli iyonlar deniz suyunda eşit olarak dağılmaya devam ederken, biriken nötr uranyum bileşiği ve amidoksim grubu ile birleştirilmiş UO22 + negatif elektrotun yüzeyine sabitlenir. Yukarıdaki işlemi tekrarlayarak uranyum, ekstraksiyonu sağlamak için negatif elektrotun yüzeyinde sürekli olarak biriktirilir.
Şekil 6: HW-ACE yönteminin fiziksel süreci, adım 1, deniz suyundaki tüm iyonlar rastgele dağıtılır; Adım 2, dış elektrik alanı iyonların yönlü hareketinin bir elektrik çift katman (EDL) oluşturmasına neden olur. Adsorbe edilen uranil iyonları, elektrot yüzeyine spesifik olarak bağlanabilir; 3. adım, adsorbe edilen uranil iyonları UO2 gibi nötr türlere indirgenebilir; 4. adım, elektrik alanı kaldırıldıktan sonra özgüllük yoktur. Birleşik diğer iyonlar tekrar solüsyonda bırakılacak; 5. adımda uranil iyonlarının adsorpsiyonu ve elektrokimyasal birikimi devam edecek ve ortaya çıkan UO2 partikülleri büyümeye devam edecektir.
Bu yöntemi kullanarak, 1932 gram uranyum, doğal deniz suyuna belirli miktarda uranyum eklenerek bir kilogram uranyum ekstraksiyon malzemesi başına bir günde simüle edilmiş deniz suyundan çıkarılabilir; aynı koşullar altında amidoksim bazlı adsorbanın en yüksek adsorpsiyon kapasitesi Sadece 200 gram uranyum. Ayrıca elektrokimyasal yöntemler uranyum ekstraksiyon hızı, uranyum ekstraksiyon seçiciliği ve malzeme geri dönüşümü açısından daha mükemmel performans gösterir. Bu yöntem ayrıca uranyum ekstraksiyonunun ekonomisini incelemek için büyük ölçekli deniz denemeleri gerektirir.
3. Hindistan
Adsorpsiyon cihazı araştırması açısından, Hindistan'da benimsenen yöntemler Japonya'dakilere benzer: Her ikisi de denizdeki iyonik fiber membran adsorbentini sabitlemek için kirişli adsorpsiyon cihazları kullanıyor ve adsorpsiyon için gelgit enerjisini kullanıyor. 12-24 gün adsorpsiyon deneylerinden sonra, iyon değişimli fiber membran adsorbanının adsorpsiyon kapasitesinin 60-160g / g'a ulaştığı ölçüldü. Japonya'da saha deneylerinde adsorban cihaz 52 gün deniz suyuna daldırıldı ve adsorpsiyon kapasitesinin 1 mg / g'a ulaştığı ölçüldü. Hindistan'daki düşük adsorban kapasitesinin olası nedeni, iyonik fiber membran adsorbanın deniz suyu ile etkili teması garanti edememesidir.
Yerli deniz suyu uranyum ekstraksiyon ekipmanının araştırma ilerlemesi
Çin Mühendislik Fiziği Akademisi, Çin'de deniz suyu uranyum çıkarma deniz denemelerini gerçekleştiren ilk birimdir. 2011 ve 2013 yıllarında deniz suyu uranyum çıkarma deniz denemeleri gerçekleştirdiler. 2011 yılında, deniz suyundan uranyum çıkarmanın uygulanabilirliğini doğrulamak amacıyla amidoksim malzemelerinin ölçek büyütme hazırlığı için ön ışınlama yöntemi gerçekleştirilmiş ve 10 kg dokunmamış fonksiyonel malzeme elde edilmiştir.Güney Çin Denizi'nin açık deniz sularındaki deniz ortamına göre tasarım ve işleme Deniz suyundan uranyum ekstraksiyon cihazı, cihaz esas olarak adsorpsiyon malzemesi, paslanmaz çelik hasır levha, ağ paslanmaz çelik kap ve diğer parçalardan oluşmaktadır (Şekil 7).
Şekil 7: Dokunmamış işlevsel malzemenin ve uranyum ekstraksiyon cihazının ağ kabının fiziksel resmi
Uranyum ekstraksiyon testi ve adsorpsiyonunun 20 günlük deniz denemesinden sonra, materyaller toplandı ve uranyum ayrıldı ve zenginleştirildi (materyallerin adsorpsiyondan önceki ve sonraki görünümü Şekil 8'de gösterilmektedir) ve materyalin adsorpsiyon kapasitesi yaklaşık 0.1 gU / (kgads) idi. , Japon araştırma sonuçlarında, esas olarak malzemelerin düşük işlevselleştirme verimliliği ve zayıf fiziksel özellikler nedeniyle büyük bir boşluk var.
Şekil 8: (a) 'dan önce, ekstraksiyondan sonra (b) ve elüsyondan sonra (c) dokunmamış uranyum ekstraksiyon materyalinin fiziksel haritası
Bu sorunlara yanıt olarak, substrat seçimini, hazırlama sürecini, materyalin konfigürasyonunu ve uranyum ekstraksiyon cihazının tasarımını optimize ettiler.Son olarak, fiber materyal radyasyon emülsiyonu aşı polimerizasyonu için kullanıldı ve aşılama oranı% 300'e kadar çıktı. malzeme. İkinci deniz denemesi 2013 yılında yapıldı ve malzemenin adsorpsiyon kapasitesi 0.3gU / (kgads) 'a yükseldi.Malzemenin adsorpsiyon kapasitesinin sadece malzemenin kendi adsorpsiyonu ve fiziksel özellikleriyle değil, aynı zamanda okyanustaki diğer yabancılar için de geçerli olduğunu düşünüyorlar. Testin seçilen alanındaki deniz derinliği, tortu ve mikrobiyal içerik, deniz suyu hızı ve sıcaklık gibi faktörler birbiriyle ilişkilidir, bu nedenle deniz suyu ekstraksiyon ortamının uranyumun deniz suyu ekstraksiyonunun verimliliği üzerindeki etkisini incelemek gerekir.
Şangay Uygulamalı Fizik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, Xiamen, Fujian, Raoping, Guangdong, Daishan, Zhejiang ve Yacheng, Sanya'daki dört gerçek deniz alanında ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki PNNL-MSL test platformunda deniz suyu ekstraksiyonu uranyum doğrulama testleri gerçekleştirdi. Mevcut maksimum adsorpsiyon kapasitesi 2,1 gU / (kgad) (doğal deniz suyu, itici güç yok).
sonuç olarak
Laboratuvarın amidoksim malzemelerinin maksimum doğal adsorpsiyon etkisi 300-400g / kg'a ulaşabilir Amerika Birleşik Devletleri, laboratuvarın adsorpsiyon kapasitesini 1.9kg / kg'a çıkarmak için elektrokimyasal yöntemler kullanır, ancak gerçek deniz suyu deneyi bu seviyeden çok daha düşüktür. Japonya, deniz suyu uranyum ekstraksiyon ekipmanı üzerinde büyük ölçekli saha deneyleri yapan ilk ülkedir. Organik amidoksim fiber malzemeler adsorban olarak kullanılır. Optimum adsorpsiyon etkisi 1,5 g / kg'dır. Hindistan'daki saha deneyleri, Japonya'dan daha düşük bir büyüklük sırasıdır. Çin'in en son deniz suyu deneyleri 21. yüzyılın başlarında Japonya'nın seviyesini aşarak 2,1 gr / kg'a ulaşmıştır.Uranyum madenciliğinin maliyeti kara kökenli uranyum madenciliğinin yaklaşık üç katıdır ve ticari değeri yoktur. Ancak nükleer enerji santrallerinin ve küçük ölçekli dağıtılmış nükleer enerji tesislerinin daha da teşvik edilmesiyle, karasal uranyum gittikçe azalacak ve okyanusta büyük uranyum kaynakları depolanacak ve deniz suyundan uranyum çıkarmanın değeri giderek daha belirgin hale gelecektir.
