能改变世界，论文发在行业国际顶级期刊，川大这项研究到底有多“高能”？！
近日，川大轻纺与食品学院石碧院士课题组在国际能源和环境科学领域顶级刊物Energy & Environmental Science（影响因子30.067）上发表题为Engineering Robust Metal-Phenolic Network Membranes for Uranium Extraction from Seawater的研究论文，介绍了研发的新型膜材料，解决了目前国际海水提铀技术和成本中的关键问题。论文第一作者为学院2016级博士研究生骆微，研究由石碧院士、廖学品教授和郭俊凌博士共同指导。
石碧院士课题组
课题组研究的海水提铀膜材料有哪些突破？这项技术到底有多“高能”？大川采访了廖学品教授，带大家一探究竟。
海水储铀45亿吨
几千年核能需求不用愁
铀是核工业赖以发展的基础资源，是实现核电可持续发展的基石。随着陆地铀矿资源的日益匮乏，开发海水提铀技术成为最有潜力、最切实可行地获取大量铀资源的途径。2016年，美国佐治亚理工学院的两位科学家在Nature杂志发表评论，将“海水提铀”列为“能改变世界的七种化学分离技术”之一。
关于海水提铀，有一点不得不提：陆地铀资源相当稀缺而海水中铀的储存量巨大，据估计总量达45亿吨，是陆地储备量的近1000倍。理论上，海水中的铀可提供未来几千年全球的核能需求。因此，从海水中提取铀作为传统铀资源的补充或替代，对于支撑我国核事业的快速发展具有重要意义，开发海水提铀技术也成为最有潜力、最切实可行地获取大量铀资源的途径。
廖学品教授
海水中铀的储量虽然很大，要提取出来却是困难重重：地壳物质中平均每吨约含铀2.5克，可海水中铀的浓度却极低，每吨只有0.0033克。如何提取海水中低浓度的铀是首要的技术难题；其次，在其他大量干扰离子存在的情况下如何高选择性地把海水中的铀提取出来也是不小的难题；第三，就是成本问题，目前，国际公认每公斤铀的提取成本在1700美金以下才可能有大规模应用的前景。
廖教授说：“全世界很多科研单位都在研究海水提铀，现在就是跨不过成本这个坎儿，都想把成本降下去，看似首要问题是降低成本，归根到底还是一个环环相扣的技术问题。”
两年半漫漫求索
潜心磨砺新型膜材料
课题组长期从事基于植物单宁和胶原纤维的先进功能材料、制革固体废弃物资源化利用及制革清洁化技术的研究与开发，他们发现铀能高选择性的与植物多酚形成稳定配合物，是不是可以用植物多酚来提取海水中铀呢？课题组开始了探索。
植物多酚也称为叫植物单宁，它们广泛存在于植物体内，是做皮革制革时很重要的化合物。“我们研究植物多酚的时间也很长，在之前的研究工作中，我们就将植物多酚应用于重金属的吸附，但要找到吸附容量大的植物多酚还真不是件容易事儿！”廖教授说，落叶松单宁、坚木单宁、黑荆树皮单宁……他们将现有能尝试的单宁都试了个遍，才找到了最合适的杨梅单宁。
植物多酚找到了，接下来就是要找到合适的载体。廖教授解释说：“植物多酚在水中是会溶解的，所以，要让植物多酚和铀离子反应，并且将铀从海水中提取出来，就得把植物多酚固定到一个不溶于水的载体上去。”
课题组研发的新型海水提铀膜材料
最早课题组利用制革的原理把植物多酚放在胶原纤维上，获得了纤维状及膜状的胶原纤维固化单宁吸附材料，虽然材料对铀的选择性吸附能力很强，但海水处理量有限，能耗相对较高。经过反复的试验，课题组最后找到了微孔滤膜作为载体。这种微孔滤膜不仅拥有较大的水通量，同时还有良好的机械性能和环境稳定性，抗压能力较强不易受损。课题组通过共价交联将植物多酚牢牢地固定在微孔滤膜上，基于形成稳定性的金属-多酚网络的新型海水提铀膜材料就最终研制成功了。
海水提铀实测
效率高9倍成本降大半
为了检验新型膜材料的海水提铀效果，课题组进行了一系列铀吸附实验，在其他大量干扰离子存在的情况下，新型膜材料仍能精准地吸附铀离子，并且吸附量还很高。在实际海水测试中，课题组用中国东海海水进行提铀实验，结果表明，所研制的膜材料显示出比传统方法高出九倍以上的铀提取能力，提取率高达84%以上，并且，97％的吸附铀可以通过快速解吸过程回收，而不会损害膜材料的后续循环使用。
海水提铀实验
根据课题组的估算，如果利用潮汐作为动能，运用研发的新型膜材料进行海水提铀，成本可以降低至约每千克275美元。廖教授介绍说：“其他国家的海水提铀成本几乎是700、800美元，世界上还没有哪个国家能把成本降低到200多美元。”
课题组从海水中提取的铀
“但要真正实现从理论到工业应用，还有诸如新型膜材料的批量生产、膜组件安装、海水腐蚀等一系列技术问题亟待解决。”廖教授表示，课题组的研究还任重而道远。
多学科交叉融合
突破单一领域天花板
谈到研究的成功，廖教授归因于课题组成员的多学科背景，“我们团队由环境、化工、材料、皮革等领域的成员组成，没有这么多学科交叉、各领域知识的积累，要想解决这个问题是根本不可能的。比如你可能会疑惑：做皮革的怎么就跑去搞核燃料了，乍一看这不是八竿子打不着的嘛！但往往越是不相关的领域越能互相启发。在自己领域，我们大致知道现在的研究方向、天花板在哪儿，都想寻求突破，但单一领域的突破是很难的，这就需要多学科交叉，深度融合。”
如何促进多学科交叉融合？课题组的“法宝”是每个月召开一次两到三天的例行组会，每个组员都要轮流做报告，大家把一个月的研究心得、问题都说出来，一起讨论交流。通过长年累月的头脑风暴、互相启发，课题组成员在研究中再遇到问题，解决起来也就相对容易多了。
对于海水提铀研究的下一步计划，廖教授表示，现在最需要做的就是到海边建一个中试规模装置，并解决真正应用过程中的一系列技术难题。“另外，课题组也希望这一研究成果能在环保、化工等领域实现更广泛的应用。”
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大川
文字/陈宸 王允保
图片来源/吕旅 廖学品
编辑/王允保