Um die Ziele zur Reduzierung des Kohlenstoffausstoßes zu erreichen, ist die Reduzierung der Emissionen von entscheidender Bedeutung. Dabei spielt die Kernenergie eine Schlüsselrolle bei der Bereitstellung zuverlässiger, kohlenstoffarmer Elektrizität und trägt zur Kohlenstoffneutralität bei. Die Kernindustrie steht jedoch vor der großen Herausforderung, uranhaltiges Abwasser zu entsorgen, das bei der Brennstoffproduktion, dem Betrieb von Kernkraftwerken und der Stilllegung von Anlagen als Nebenprodukt anfällt.
Aufgrund der starken Koordinationseigenschaften von Uranylionen (UO22+) mit Karbonatliganden bilden sich im Abwasser leicht karbonathaltige Komplexe, was die Urananreicherung und -entfernung erschwert. Daher sind neue Uranextraktionstechnologien erforderlich, um traditionelle Adsorptions- und Membrantrenntechniken zur Entfernung und Rückgewinnung von Uran aus karbonathaltigem Uranabwasser zu ersetzen.
Die photounterstützte Uranextraktion ist eine neue Technologie, die photogenerierte Elektronen nutzt, um die Extraktionskinetik zu beschleunigen und Uran selektiv aus karbonathaltigem Uranabwasser zu extrahieren, wobei nicht-reduktive Koexistenzionen vermieden werden. Die traditionelle Photokatalyse basiert hauptsächlich auf pulverförmigen Nano-Photokatalysatoren, die sich nur schwer vom Reaktionsmedium trennen lassen, was die praktische Anwendung einschränkt.
Um dieses Problem zu lösen, hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Wenkun Zhu und Tao Chen Hydrogele als photokatalytische Träger untersucht und dabei eine neuartige Strategie mit intelligenten thermosensitiven Materialien kombiniert, die ihren physikalischen Zustand bei unterschiedlichen Temperaturen dynamisch ändern. Dieser Ansatz löst den Widerspruch zwischen großer Kontaktfläche während der Reaktion und einfacher Wiederherstellung danach.
Die Studie des Teams ist veröffentlicht im Journal Wissenschafts-Bulletin.
Die Forscher zeigten, dass die Einführung des thermosensitiven Materials PNIPAM den dynamischen Phasenübergang von γ-FeOOH/KGM(Ga)-Mikrogelen von einem dispergierten Zustand mit hoher spezifischer Oberfläche bei niedrigen Temperaturen in einen stabilen aggregierten Zustand bei hohen Temperaturen ermöglicht. Das thermosensitive Hydrogel γ-FeOOH/KGM(Ga)/PNIPAM zeigte eine ausgezeichnete Fähigkeit, bis zu 92,3 % Uran aus karbonathaltigem Abwasser zu entfernen. Sogar in Uranbergbauabwässern blieb die Uranentfernungseffizienz bei über 90 %.
Mithilfe von Elektronenspinresonanz (ESR) und Radikalfängerexperimenten bestätigten die Forscher, dass das thermosensitive Hydrogel γ-FeOOH/KGM(Ga)/PNIPAM dissoziierte Uranylionen durch sauerstoffreiche funktionelle Gruppen einfängt und anschließend Uran über reaktive Spezies wie e– und ∙O2– reduziert und immobilisiert.
Diese Studie bietet eine vielversprechende Lösung für die Entwicklung leistungsstarker intelligenter photokatalytischer Hydrogele zur Behandlung uranhaltiger Abwässer.
Weitere Informationen:
Xudong Wu et al., Sol-Gel-Übergangseffekt basierend auf thermosensitivem Konjak-Glucomannan-Hydrogel für die photounterstützte Uranextraktion, Wissenschafts-Bulletin (2024). DOI: 10.1016/j.scib.2024.07.005