Des scientifiques ont fait la démonstration d'un nouveau matériau bio-inspiré pour une approche écologique et rentable de la récupération d'uranium à partir de l'eau de mer.

Une équipe de recherche des laboratoires nationaux d'Oak Ridge et Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie, l'Université de Californie - Berkeley, et l'Université de Floride du Sud a développé un matériau qui lie sélectivement l'uranium dissous avec un adsorbant polymère à faible coût. Les résultats, Publié dans Communication Nature , pourrait aider à surmonter les goulots d'étranglement dans le coût et l'efficacité de l'extraction des ressources d'uranium des océans pour la production d'énergie durable.

« Notre approche est un bond en avant significatif, " a déclaré le coauteur Ilja Popovs de la division des sciences chimiques de l'ORNL. "Notre matériau est conçu sur mesure pour sélectionner l'uranium par rapport aux autres métaux présents dans l'eau de mer et peut facilement être recyclé pour être réutilisé, ce qui le rend beaucoup plus pratique et efficace que les adsorbants précédemment développés."

Popovs s'est inspiré de la chimie des micro-organismes avides de fer. Les microbes tels que les bactéries et les champignons sécrètent des composés naturels appelés « sidérophores » pour siphonner les nutriments essentiels comme le fer de leurs hôtes. "Nous avons essentiellement créé un sidérophore artificiel pour améliorer la façon dont les matériaux sélectionnent et lient l'uranium, " il a dit.

L'équipe a utilisé des méthodes informatiques et expérimentales pour développer un nouveau groupe fonctionnel connu sous le nom de « H 2 BHT"—2, 6-bis[hydroxy(méthyl)amino]-4-morpholino-1, 3, 5-triazine - qui sélectionne préférentiellement les ions uranyles, ou de l'uranium soluble dans l'eau, sur les ions métalliques concurrents d'autres éléments dans l'eau de mer, comme le vanadium.

La découverte fondamentale est soutenue par la performance prometteuse d'une preuve de principe H 2 Adsorbant polymère BHT. Les ions uranyles sont facilement "adsorbés, " ou lié à la surface des fibres du matériau en raison de la chimie unique de H 2 BHT. Le prototype se distingue parmi d'autres matériaux synthétiques pour augmenter l'espace de stockage de l'uranium, produisant un matériau hautement sélectif et recyclable qui récupère l'uranium plus efficacement que les méthodes précédentes.

Avec une méthode de récupération pratique, l'extraction d'eau salée offre une alternative durable à l'exploitation minière de l'uranium qui pourrait soutenir la production d'énergie nucléaire pendant des millénaires.

Les gisements d'uranium sont abondants et se reconstituent dans l'eau de mer grâce à l'érosion naturelle des roches et des sols contenant du minerai. Malgré des concentrations diluées, environ 3 milligrammes d'uranium par tonne d'eau de mer, les océans du monde détiennent des réserves massives de l'élément totalisant environ quatre milliards de tonnes, un approvisionnement 1000 fois supérieur à toutes les sources terrestres combinées.

Le développement d'adsorbants d'uranium performants pour exploiter cette ressource potentielle, cependant, est une quête insaisissable depuis les années 1960.

"L'objectif est de développer des matériaux adsorbants efficaces à faible coût qui peuvent être traités dans des conditions douces pour récupérer l'uranium, et également réutilisé pour plusieurs cycles d'extraction, " a déclaré Alexander Ivanov de l'ORNL, qui a effectué des études computationnelles de H 2 BHT.

Soutenu par le programme de recherche et développement sur le cycle du combustible du DOE Office of Nuclear Energy, l'équipe s'est concentrée sur la détermination des facteurs sous-jacents qui influencent la sélectivité et augmentent le volume d'uranium récupérable avec de nouveaux matériaux.

Des études antérieures sur les composés à base d'amidoxime ont révélé une attraction fondamentalement plus forte pour le vanadium par rapport à l'uranium, qui peut être difficile à surmonter. Le développement de H 2 BHT propose une approche alternative, en utilisant des matériaux autres que l'amidoxime, pour mieux cibler l'uranium dans les milieux aquatiques à métaux mixtes.

La sélectivité a longtemps été une pierre d'achoppement sur la route vers des matériaux adsorbants plus efficaces. Les premières avancées, conduit par essais et erreurs, ont découvert que les groupes fonctionnels à base d'amidoxime lient efficacement l'uranium dans l'eau mais récupèrent encore mieux le vanadium, bien que ce dernier ait une concentration comparativement plus faible dans l'eau de mer.

« Le résultat est que les matériaux à base d'amidoxime, les précurseurs actuels des adsorbants disponibles dans le commerce, se remplir plus vite de vanadium que d'uranium, qui est difficile et coûteux à enlever, " a déclaré Popovs.

Les solutions acides hautement concentrées utilisées pour éliminer le vanadium représentent une dépense accrue par rapport aux solutions de traitement douces ou basiques et sont alourdies par des flux de déchets caustiques. De plus, le traitement à l'acide peut endommager les fibres du matériau, ce qui limite leur réutilisation, rendant l'adoption commerciale prohibitive.

"Pour travailler comme un concept à grande échelle, idéalement, les éléments indésirables ne seraient pas adsorbés ou pourraient facilement être extraits lors du traitement et la matière réutilisée pendant plusieurs cycles pour maximiser la quantité d'uranium collecté, " a déclaré Popovs.

Contrairement aux matériaux chargés de vanadium, le H 2 Le polymère BHT peut être traité à l'aide de solutions basiques douces et recyclé pour une réutilisation prolongée. Les fonctionnalités respectueuses de l'environnement apportent également des avantages de coût significatifs aux applications potentielles du monde réel.

L'étape suivante, disent les chercheurs, est d'affiner l'approche pour une plus grande efficacité et des opportunités à l'échelle commerciale. L'article de journal est publié sous le titre "Siderophore-Inspired Chelator Hijacks Uranium from Aqueous Medium".