Neue elektrochemische Strategie steigert die Uranrückgewinnung aus komplexen Abwässern
Anzeigen
Forscher haben eine vielversprechende neue Methode vorgestellt, die die Rückgewinnung von Uran aus schwierigen Abwasserströmen verändern könnte. Durch die Kombination eines speziell entwickelten kovalenten organischen Gerüsts mit einem indirekten elektrochemischen Verfahren bietet der Ansatz hohe Effizienz, Langzeitstabilität und eine hohe Toleranz gegenüber chemisch komplexen Umgebungen. Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse darüber, wie fortschrittliche Funktionsmaterialien und optimierte Betriebsbedingungen zusammenwirken können, um die Entwicklung einer saubereren und nachhaltigeren Kernenergie zu unterstützen.
Synergistische Parameteroptimierung beim elektrochemischen Upcycling von Uran: Mechanismen und Perspektiven von selbststehenden COF-Elektroden
Tao Wen, Muhammad Wakeel
Uran ist eine lebenswichtige Ressource für die Kernenergieerzeugung, doch der konventionelle Abbau steht unter zunehmendem ökologischen und wirtschaftlichen Druck. Weltweit erforschen Wissenschaftler neue Wege zur Gewinnung von Uran aus unkonventionellen Quellen wie Abwasser, Meerwasser und kontaminierten Industrieabwässern. Die elektrochemische Uranextraktion hat sich als attraktive Alternative erwiesen, da sie einen kontrollierbaren Betrieb, eine schnelle Reaktion und eine hohe Selektivität ermöglicht. Die Technologie kämpft jedoch noch immer mit Problemen wie der Passivierung der Elektroden, Störungen durch konkurrierende Ionen und den hohen Kosten für die Herstellung effizienter Elektroden.
In einer kürzlich durchgeführten Studie wurden diese Probleme durch die Entwicklung einer selbständigen kovalenten organischen Gerüstelektrode angegangen, die zwei Aufgaben gleichzeitig erfüllen kann. Die auf einem Kohlenstoffträger aufgebaute Elektrode enthält ein Polyarylether-Grundgerüst, das die Sauerstoffreduktionsreaktion zur Erzeugung von Wasserstoffperoxid antreibt, sowie Amidoximgruppen, die selektiv Uranyl-Ionen binden. Diese Kombination bietet einen koordinierten chemischen und elektrochemischen Weg, der den Extraktionsprozess erheblich verbessert.
Eine der Stärken der Studie ist die systematische Bewertung der Faktoren, die die Extraktionsleistung beeinflussen. Die Forscher fanden heraus, dass der pH-Wert der Lösung eine zentrale Rolle spielt. In saurem Milieu verringert die Protonierung der Amidoximgruppen deren Fähigkeit, Uran anzuziehen. Im Gegensatz dazu fördern neutrale bis alkalische Bedingungen eine stärkere Bindung und unterstützen die Bildung von Studtit, einer kristallinen Uranperoxidverbindung, die sich während der Extraktion bildet. Wenn der pH-Wert in einem günstigen Bereich gehalten wird, erreicht das System Extraktionswirkungsgrade von über 90 Prozent.
Die angelegte Spannung ist ein weiterer Schlüsselparameter. Die Geschwindigkeit der Wasserstoffperoxidproduktion hängt direkt von der Spannung ab, die die Sauerstoffreduktionsreaktion mit zwei Elektronen steuert. Eine Erhöhung des angelegten Potenzials verbessert die Urangewinnung erheblich, da die örtliche Konzentration von Wasserstoffperoxid in der Nähe der Elektrodenoberfläche erhöht wird. Dies beschleunigt die Bildung von Studtit und erhöht die Effizienz der Extraktion, insbesondere bei hohen Urankonzentrationen.
Das System zeigt auch eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Störungen durch Natriumionen und organische Zusätze, die in realen Abwässern häufig vorkommen. Selbst in Lösungen mit hoher Ionenstärke oder komplexen organischen Komponenten erreicht die Elektrode eine Uranextraktionseffizienz von über 85 Prozent. Diese Widerstandsfähigkeit spiegelt die starke intrinsische Selektivität der Amidoximgruppen für Uranyl-Ionen wider.
Langfristige Leistungstests veranschaulichen zudem die Beständigkeit des Ansatzes. In organischen, radioaktiven Abwässern sammelte die Elektrode über 450 Stunden Dauerbetrieb mehr als 9.000 Milligramm Uran pro Gramm Material an, was zu den höchsten Werten gehört, die für elektrochemische Uranextraktionssysteme berichtet wurden.
Der synergistische Mechanismus, der diesem Erfolg zugrunde liegt, umfasst zwei miteinander verbundene Schritte. Erstens chelatieren Amidoxim-Gruppen Uranyl-Ionen und initiieren die Keimbildung. Zweitens treibt elektrisch erzeugtes Wasserstoffperoxid das anhaltende Kristallwachstum an. Zusammen ermöglichen diese Prozesse eine stabile und effiziente Extraktion selbst unter schwierigen chemischen Bedingungen.
Die Autoren weisen darauf hin, dass noch einige Herausforderungen zu bewältigen sind, bevor die Technologie auf breiter Basis eingesetzt werden kann. Dazu gehören die Verbesserung der Elektrodenherstellung, die Verringerung der Empfindlichkeit gegenüber pH-Schwankungen und die Verhinderung der Blockierung aktiver Stellen im Langzeitbetrieb. Sie weisen auf künftige Entwicklungen hin, wie z. B. maschinengesteuertes Materialdesign, fortschrittliche Spannungssteuerungsstrategien, Operando-Charakterisierung und modulare Durchflusssysteme zur Unterstützung groß angelegter Anwendungen.
Diese Forschungsarbeit ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu praktischen, hochleistungsfähigen Uranrückgewinnungssystemen, die in komplexen realen Umgebungen eingesetzt werden können. Außerdem bietet sie wertvolle Anhaltspunkte für die Entwicklung elektrochemischer Materialien und Verfahren der nächsten Generation für die Umweltsanierung und Ressourcenrückgewinnung.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Meistgelesene News
Weitere News von unseren anderen Portalen
Verwandte Inhalte finden Sie in den Themenwelten
Themenwelt Extraktion
Die Extraktion ist ein fundamentaler Prozess im chemischen Labor, der es ermöglicht, bestimmte Komponenten aus einer Mischung zu isolieren und zu konzentrieren. Ob es darum geht, Wirkstoffe aus Naturprodukten zu gewinnen, Verunreinigungen aus Syntheseprodukten zu entfernen oder analytische Proben aufzubereiten – die Extraktion ist ein Schlüsselschritt, um präzise und effiziente Ergebnisse in der chemischen Forschung und Analytik zu erzielen.
Themenwelt Extraktion
Die Extraktion ist ein fundamentaler Prozess im chemischen Labor, der es ermöglicht, bestimmte Komponenten aus einer Mischung zu isolieren und zu konzentrieren. Ob es darum geht, Wirkstoffe aus Naturprodukten zu gewinnen, Verunreinigungen aus Syntheseprodukten zu entfernen oder analytische Proben aufzubereiten – die Extraktion ist ein Schlüsselschritt, um präzise und effiziente Ergebnisse in der chemischen Forschung und Analytik zu erzielen.