Une équipe de recherche chinoise développe un nouveau matériau adsorbant pour l'extraction de l'uranium de l'eau de mer

Le 2 septembre, on a appris de l'Institut de bioénergie et de technologie des procédés de Qingdao de l'Académie chinoise des sciences (ci-après dénommé “Institut de l'énergie de Qingdao”) que l'équipe de recherche de cet institut a récemment réalisé une série de progrès dans le domaine des matériaux d'extraction de l'uranium de l'eau de mer. Pour la première fois, l'équipe a introduit la conception topologique de molécules discrètes dans le système des cages organiques poreuses, a synthétisé le matériau fonctionnalisé par des groupes phosphates PhosCage, puis l'a combiné avec des nanofibres d'aramide pour préparer des microsphères d'aérogel composite AC-POC présentant à la fois une haute sélectivité, une haute capacité et une résistance à l'encrassement biologique. Les résultats correspondants ont été publiés dans les revues académiques internationales Journal of Hazardous Materials et Separation and Purification Technology.

Les profondeurs océaniques renferment un immense “réservoir d'uranium”, mais comment en “extraire l'uranium” de manière économique et efficace constitue un défi mondial. Dans l'eau de mer, l'uranium existe principalement sous forme d'ions uranyle, à une concentration extrêmement faible, accompagné d'une grande quantité d'autres ions métalliques et de micro-organismes. Les matériaux adsorbants traditionnels “captent” souvent les mauvaises cibles ou sont perturbés par l'adhésion de micro-organismes. Par conséquent, le développement de matériaux adsorbants à haute sélectivité, haute capacité et résistants à l'encrassement est essentiel pour rendre l'extraction de l'uranium de l'eau de mer économiquement viable.

L'équipe de l'Institut de l'énergie de Qingdao a proposé une stratégie de conception topologique de molécules discrètes, construisant de manière orientée des clusters d'adsorption de phosphates dans l'espace nanométrique intercouche des cages organiques poreuses, et a préparé le premier matériau de cage organique poreuse fonctionnalisé par des groupes phosphates —— PhosCage. Dans des conditions de laboratoire, PhosCage atteint l'équilibre d'adsorption en seulement 5 minutes ; dans des échantillons réels d'eau de mer provenant de plusieurs zones maritimes, sa capacité maximale d'extraction de l'uranium atteint 50,4 mg/g, soit 8,4 fois la référence correspondante du Département de l'Énergie des États-Unis.

Pour que ce matériau soit réellement utilisé dans l'ingénierie marine, il faut également résoudre les problèmes de déploiement difficile des matériaux en poudre et d'adhésion des micro-organismes. À cette fin, l'équipe a combiné PhosCage avec des nanofibres d'aramide, et grâce à la synergie de l'enchevêtrement physique et de la réticulation chimique, a préparé à grande échelle des microsphères d'aérogel composite à double réseau AC-POC. Ces microsphères présentent des canaux de pores interconnectés à l'intérieur, et leurs groupes phosphate et carboxyle entrelacés créent un environnement de coordination donneur d'électrons synergique et puissant, réduisant efficacement la barrière énergétique de coordination des ions uranyle, c'est-à-dire le seuil d'énergie à franchir avant qu'une réaction chimique ne se produise. Cela rend la réaction de capture plus facile à se produire, améliorant ainsi l'efficacité de capture des ions uranyle.

Les études montrent que dans un système de compétition multi-ions, AC-POC présente une haute sélectivité ; après 15 jours de fonctionnement continu dans de l'eau de mer naturelle, sa capacité dynamique d'extraction de l'uranium est de 22,55 mg/g, atteignant 3,8 fois la référence correspondante du Département de l'Énergie des États-Unis. Parallèlement, la charge négative à la surface des microsphères peut inhiber l'adhésion des micro-organismes et la formation de biofilms, contribuant ainsi à améliorer la stabilité de service du matériau dans un environnement marin réel.

Cette étude comble le vide des matériaux de cage organique poreuse dans le domaine de l'extraction de l'uranium de l'eau de mer, et pose également les bases théoriques et techniques pour la conception de matériaux adsorbants durables pour l'extraction de l'uranium de l'eau de mer, à haute résistance à l'encrassement, haute sélectivité et haute capacité.