Vědeckému týmu ze Stanford University v Kalifornii se podařilo radioaktivní elektrochemickou metodou získat uran z mořské vody. Fyzici k tomu použili polymer-karbonové elektrody a pulzní elektrické pole.
Uran je klíčovou složkou jaderného paliva. Podle průzkumů se na pevninách celého světa vyskytuje v různých ložiskách 7,6 milionů tun uranu. Z těchto ložisek se dobývá, posléze zpracovává a využívá v jaderné energetice. Objem pevninských zásob je však zcela zanedbatelný ve srovnání s 4,5 miliardami tun těžkého kovu, který je obsažen v mořské vodě.
Do moře se uran uvolnil přírodním zvětráváním podmořských ložisek a pokud by se jej odtud podařilo získat, mohl by sloužit jako palivo jaderných elektráren po stovky let. Zatím jde v praxi o nevyužívaný zdroj energie, i když dobýváním uranu z moře by došlo k omezení negativního vlivu důlního průmyslu na životní prostředí.
Vědci intenzivně pracují na metodách, jak uran z mořské vody dostat ve zužitkovatelné formě. Potíž je v tom, že oceány jsou obrovské a koncentrace uranu je pouhých 3 μg na litr, což lze přirovnat k jednomu zrnku soli rozpuštěném v litru vody. Vyvinout prakticky použitelnou metodu proto není jednoduché. Tradiční metody extrakce selhávají také kvůli vysoké koncentraci soli v mořské vodě.
Ve vodě uran existuje zpravidla jako kladně nabitý iont oxidu uranu, chemicky uranyl (UO2+2). Většina exktrakčních metod využívá jako adsorbátor amidoxim, což je plastový polymer, který „lapá“ uranové částice na svém povrchu, ale chemicky s nimi nereaguje. Nejpoužívanějšími materiály jsou teď amidoximové polymery. Účinnost adsorbátorů je však dána plochou povrchu. Protože pro adsorpci je na povrchu jen několik vhodných míst a koncentrace uranu je v porovnání s ostatními kladnými ionty, jako je sodík nebo vápník, extrémně nízká, interakce uranu s adsorbátorem je nízká a vhodná místa na povrchu jsou rychle obsazena jinými ionty. Navíc ionty adsorbátoru nesou kladný náboj, a tak odpuzují další uranové ionty pryč z materiálu.
Fyzici ze Stanford University řešili tento problém elektrochemicky. V elektrochemickém článku je umístěn roztok, který funguje jako elektrolyt, a do něho jsou ponořeny dvě elektrody připojené ke zdroji napětí. Pokud mají elektrody opačný náboj, teče elektrolytem proud a kladné ionty se pohybují směrem k záporné elektrodě, zatímco elektrony a záporné ionty směrem ke kladné elektrodě. Na záporné elektrodě jsou kladné ionty redukovány, a tedy získávají elektron. Pro většinu kovových iontů to znamená vylučování kovu v pevné fázi na povrchu elektrody.
V elektrochemickém článku použil tým ze Stanfordu anodu vytvořenou z uhlíku a pokrytou amidoximovým polymerem. Druhá elektroda byla z inertního materiálu. Při aplikování krátkých proudových pulzů jsou kladné uranylové, vápníkové a sodíkové ionty přitahovány ke karbon-polymerové elektrodě. Amidoximový film upřednostňuje uranylové ionty, a ty jsou tak adsorbovány před dalšími ionty. Adsorbované uranylové ionty jsou redukovány na pevný, elektricky neutrální oxid uranový (UO2) a jakmile je proudový pulz vypnut, nežádoucí ionty se vrací zpět do elektrolytu. Opakováním pulzů je možno na povrchu elektrody vytvořit povlak oxidu uranu bez ohledu na to, jak malá koncentrace uranu byla v elektrolytickém roztoku.
Při zkušebních testech, které měly za úkol prověřit novou metodu s adsorpčním amidoximem, elektrochemická metoda výrazně předčila tradičnější materiály. V průběhu času, který potřebuje povrch amidoximu k úplné saturaci, extrahuje carbon-polymerová elektroda devítinásobné množství uranu. Vědci navíc ukázali, že 96,6 % kovu může být z povrchu získáno zpět použitím reverzního proudu a elektrolytu obsahujícího kyselinu.
Bez ohledu na tento úspěch, k praktickým aplikacím ve velkém rozsahu zbývá ještě dlouhá cesta. Aby se postup komerčně vyplatil, musel by zisk z extrahovaného uranu převýšit náklady na celý proces a potřebnou energii. Záleží také na tom, jaký bude obecný poměr k jaderným elektrárnám a jestli se v dohledné době neobjeví jiné zdroje energie, a především zda se konečně nepodaří zvládnout vytouženou jadernou fúzi.
Původní práce byla uveřejněna v Nature Energy a v Physics World.
Mohlo by vás zajímat:
Nové
využití fotoakustického jevu
Vědci
vyvinuli nový materiál, který dokáže blokovat symetrii pohybu
Třicet
let pozorování Supernovy 1987A
Magnetické
skyrmiony a umělé neurony