Hoe kan de efficiënte verwijdering van U(VI) uit afvalwater worden verbeterd door Er0.04-ZnO?

De effectiviteit van de verwijdering van U(VI) door Er0.04-ZnO werd onderzocht onder verschillende monochromatische lichtbronnen met golflengtes van 420, 500, 520, 600 en 650 nm. Wanneer de oplossing werd bestraald met licht van 420 nm gedurende twee uur, werd 98,1% van het U(VI) verwijderd. Echter, bij bestraling met monochromatisch licht in het zichtbare lichtbereik (met golflengtes van 500 en 520 nm) daalde de efficiëntie van de verwijdering aanzienlijk. Opmerkelijk was dat de verwijderings efficiëntie veel lager was bij bestraling met 600 nm in vergelijking met 650 nm. Dit komt overeen met het UV-Vis absorptiespectrum van Er0.04-ZnO, wat de invloed van Er-geïnduceerde upconversion benadrukt bij het verbeteren van de fotokatalytische efficiëntie.

Bovendien werd het onderscheidend vermogen van Er0.04-ZnO voor de reductie van U(VI) getest door verstorende ionen zoals Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Sr2+, Cu2+, Fe3+, SO4 2−, Cl− en Br− aan de U(VI)-oplossing toe te voegen. Zelfs in aanwezigheid van deze verstorende ionen behield Er0.04-ZnO een hoge verwijderingsgraad van U(VI), wat impliceert dat de fotogegenereerde elektronen voornamelijk werden gebruikt voor de katalytische reductie van U(VI). Gezien de frequente aanwezigheid van meerdere kationen in echt afvalwater, werd de verwijderingscapaciteit van U(VI) ook beoordeeld in de aanwezigheid van samenhangende kationen zoals Ca2+, Mg2+, Sr2+, Cu2+ en Fe3+. De reductiepotentiaal van de verschillende verstorende ionen werd onderzocht met behulp van lineaire sweep voltammetrie (LSV). De volgorde van reductiepotentiëlen was als volgt: Cu2+ (−0,42 V) > Sr2+ (−0,45 V) > Fe3+ (−0,48 V) > Mg2+ (−0,58 V) > Ca2+ (−0,62 V).

Om de actieve species in het fotokatalytische proces te identificeren, werden isopropylalcohol (IPA), p-benzochinon (PBQ), methanol (MeOH) en KIO3 toegevoegd om respectievelijk superoxide radicalen (∙O − 2 ), hydroxyl radicalen (∙OH), gaten en elektronen uit te sluiten. De aanwezigheid van IPA en KIO3 beperkte de fotoreductiecapaciteit van U(VI), wat aangaf dat ∙O − 2 en elektronen de actieve species waren. Bovendien verhoogde de toevoeging van methanol de fotoreductie-efficiëntie van U(VI), wat werd toegeschreven aan de toegenomen scheiding van ladingsdragers door de consumptie van gaten door methanol.

De toestand van uranium tijdens de fotoreductiereactie werd geanalyseerd met behulp van XRD en XPS. Na fotokatalyse vertoonde het XRD-patroon van Er0.04-ZnO nog steeds de karakteristieke pieken van hexagonaal ZnO, wat wijst op de uitstekende stabiliteit van Er0.04-ZnO. Extra pieken werden toegeschreven aan metastudtiet en ammonium uraniumoxide-hydraat. De aanwezigheid van ammonium uraniumoxide-hydraat suggereert dat zowel nitraat als U(VI) werden gereduceerd tijdens het fotokatalytische proces. De XPS-spectra van U 4f vóór en na fotokatalyse toonden aan dat U(VI) voornamelijk aanwezig was vóór de fotokatalyse, terwijl de pieken van U(IV) zichtbaar werden na twee uur fotokatalyse, wat bevestigde dat 41,3% van het uranium werd gereduceerd tijdens de reactie.

Hoe kan fotokatalytische reductie bijdragen aan uraniumextractie?

Fotokatalytische reductie is een veelbelovende technologie voor de verwijdering van uranium(VI) uit waterige oplossingen. Dit proces maakt gebruik van licht om chemische reacties te versnellen en wordt steeds meer onderzocht vanwege zijn effectiviteit in het reduceren van uraniumverbindingen. Uranium(VI) is een toxische stof die schadelijke effecten heeft op het milieu en de gezondheid, waardoor het noodzakelijk is om efficiënte methoden te ontwikkelen voor het extraheren en neutraliseren van dit element.

De recente literatuur heeft verschillende benaderingen onderzocht waarbij fotokatalysatoren, zoals TiO2, SnO2 en WO3, worden gebruikt voor de reductie van uranium(VI) naar minder schadelijke vormen. Deze processen vinden vaak plaats onder invloed van zichtbaar licht, wat de technologie niet alleen milieuvriendelijk maakt, maar ook kosteneffectief, aangezien zichtbaar licht gemakkelijker beschikbaar is dan andere vormen van straling. Het gebruik van nanomaterialen, zoals nanocomposieten en nanostructuren, heeft aangetoond dat het de efficiëntie van de fotoreductie aanzienlijk kan verbeteren. Deze materialen bieden een groter oppervlak voor interactie met het uranium, waardoor de reactie sneller en effectiever kan plaatsvinden.

Echter, terwijl veel van deze technologieën veelbelovend zijn, moeten er ook verschillende technische en praktische uitdagingen worden overwonnen. De efficiëntie van fotokatalytische processen hangt sterk af van de omstandigheden van het water, zoals pH-waarden, ionsterkte en de aanwezigheid van andere verontreinigingen. De fotokatalytische systemen moeten niet alleen effectief zijn in het reduceren van uranium(VI), maar ook in staat zijn om de producten van de reductie op een efficiënte manier te scheiden, zodat hergebruik of veilige verwijdering mogelijk is.

Verder zijn er ontwikkelingen in het gebruik van multi-metaal nanostructuren en hoog-entropie legeringen die mogelijk kunnen bijdragen aan de verbetering van fotokatalytische prestaties. Deze materialen zijn in staat om de lichtconversie van zonne-energie naar chemische energie te verhogen, wat cruciaal is voor de verdere schaalvergroting van fotokatalytische uraniumextractie. De uitdagingen blijven echter bestaan in het op grote schaal toepassen van deze technologieën, vooral in de context van industrieel afvalwater of vervuilde bodems.

Een ander belangrijk aspect is het gebruik van groene chemie bij het ontwikkelen van nieuwe fotokatalytische materialen. Het ontwikkelen van materialen die minder schadelijke bijproducten genereren, zowel tijdens het proces zelf als na de verwerking, is essentieel voor de duurzaamheid van de technologie. Veel van de recente studies wijzen op de noodzaak om verder te onderzoeken hoe deze systemen in real-world omstandigheden presteren en welke bijkomende milieukosten er mogelijk zijn.

Hoewel fotokatalytische reductie een opwindend en veelbelovend pad lijkt te zijn voor de oplossing van uraniumvervuiling, blijft het van cruciaal belang dat onderzoekers blijven zoeken naar manieren om deze technologieën verder te optimaliseren en te integreren met andere milieuvriendelijke methoden voor verontreinigingsbeheersing. De verdere ontwikkeling van efficiëntere materialen en processen zal waarschijnlijk de sleutel zijn tot het wijdverspreide gebruik van fotokatalyse voor uraniumextractie.

Hoe Fotokatalyse kan bijdragen aan Uranium Extractie in het TBP-Kerosine Systeem

De zoektocht naar duurzame en efficiënte energiebronnen heeft de afgelopen decennia wereldwijd veel aandacht gekregen. Terwijl de wereld zich richt op de overgang naar schone energie, is er ook een groeiende vraag naar uraniumbronnen voor kernenergieproductie. Uranium, essentieel voor de werking van kernreactoren, wordt momenteel in veel gevallen op een onduurzame manier gewonnen. Het is daarom van groot belang om de methoden voor uranium-extractie en -recycling te verbeteren. In dit kader wordt fotokatalytische technologie steeds belangrijker als een manier om uranium efficiënt uit afvalloze systemen te extraheren.

In de context van de nucleaire brandstofcyclus wordt uranium vaak verwerkt in een op TBP (tributylfosfaat) gebaseerde oplosmiddel-extractiesysteem, waarin kerosine wordt gebruikt als oplosmiddel. Het PUREX-proces (Plutonium Uranium Redox Extraction), ontwikkeld in de jaren veertig van de vorige eeuw, blijft een van de fundamentele technieken voor het extraheren van uranium uit verbruikte nucleaire brandstof. Hoewel het proces wereldwijd wordt toegepast, heeft het zijn beperkingen, vooral wat betreft de efficiëntie van de extractie van uranium. Een van de redenen hiervoor is de moeilijke terugwinning van uranium uit het organische oplosmiddel, waarbij de aanwezige complexen tussen uranium en TBP in een hoge mate stabiliteit vertonen. Dit verlaagt de algehele efficiëntie van traditionele extractiemethoden.

Echter, de uitdaging van fotokatalytische reductie in een systeem zoals TBP-kerosine is significant. De fotokatalytische oxidatie van zowel TBP als kerosine verloopt traag, en bovendien is uranium in dit systeem sterk gecoördineerd met de fosfaatgroepen, wat de fotokatalytische reactie remt. Daarom is het ontwikkelen van een fotokatalytisch systeem dat uranium effectief kan extraheren uit deze complexe omgeving van essentieel belang.

Een oplossing die steeds meer aandacht krijgt, is het gebruik van materialen die zelf-oxidatie vertonen. In dit onderzoek wordt commercieel rood fosfor, dat diep geoxideerd is (DO-CRP), gebruikt als fotokatalysator. Door deze zelf-oxidatie kunnen specifieke oppervlakken worden gecreëerd die rijk zijn aan fosfaatgroepen (PO₄³⁻), die van cruciaal belang zijn voor het binden van uranium(VI). De zelf-oxidatie zorgt ervoor dat de fotokatalysator in staat is om de fotokatalytische cyclus te ondersteunen en tegelijkertijd uranium effectief te extraheren. Dit wordt mogelijk gemaakt door het manipuleren van het oppervlak van de fotokatalysator en defecten te creëren die kunnen fungeren als bindingstekens voor uranium.

De implementatie van deze technologie maakt het mogelijk om uranium op een efficiëntere en duurzamere manier uit het TBP-kerosine systeem te extraheren, wat de rol van fotokatalytische processen in de toekomstige uraniumrecycling verder versterkt. Het gebruik van DO-CRP als fotokatalysator biedt bovendien voordelen zoals lage kosten, hoge efficiëntie en de mogelijkheid om het proces meerdere keren te hergebruiken, wat het een aantrekkelijke keuze maakt voor industriële toepassingen.

Hoe Ion Pair Sites in Ti(OH)PO4 de Elektrochemische Uranium Extractie Verbeteren

De elektrochemische uraniumextractie uit nucleair afvalwater is een belangrijke technologie in de nucleaire industrie, vooral voor de verwerking van afval van brandstofproductie. Recent onderzoek heeft aangetoond dat Ti(OH)PO4, een materiaal met ionpair-sites, uitstekende prestaties levert bij het selectief binden van uraniumionen en de extractie van uranium uit zowel gesimuleerd als daadwerkelijk nucleair afvalwater. Dit materiaal kan worden gebruikt voor de elektrochemische reductie van uranium, waarbij specifieke sites in de structuur van Ti(OH)PO4 de reactiviteit van uraniumverbindingen bevorderen en de efficiëntie van het extractieproces verhogen.

De ionpair-sites in Ti(OH)PO4 zijn van cruciaal belang voor de elektrochemische activiteit van het materiaal. De analyse van de XPS-spectra toont aan dat Ti(OH)PO4, in vergelijking met OH-terminaal Ti3C2, drie duidelijke pieken vertoont die corresponderen met de Ti4+—O, Ti3+—O en Ti2+—O bindingen. Deze resultaten suggereren dat Ti(OH)PO4 defecten vertoont die ontstaan door de vorming van zuurstofvacatures tijdens de conversie van OH-terminaal Ti3C2 naar Ti(OH)PO4. Deze defecten leiden tot de aanwezigheid van Tiδ+ ionen, die essentieel zijn voor de binding van uranium in zijn verschillende chemische vormen.

Het experiment toonde aan dat Ti(OH)PO4 binnen vijf uur een uraniumextractie-efficiëntie van 95,1% behaalt, wat sneller is dan OH-terminaal Ti3C2 (53,5%) en bloot grafiet (44,4%). Binnen negen uur bereikte de efficiëntie zelfs 99,5%, wat leidde tot een directe macroscopische uraniumdepositie op het oppervlak van het Ti(OH)PO4-elektrode. Deze resultaten zijn belangrijk omdat ze aantonen dat Ti(OH)PO4 niet alleen snel uranium kan extraheren, maar dat de stabiliteit van dit proces wordt gehandhaafd, zelfs in het bijzijn van andere ionen zoals SO4^2−, CO3^2−, Cl− en NO3−, die vaak aanwezig zijn in nucleair afvalwater. De extractie-efficiëntie blijft consistent boven de 90% over een breed scala aan pH-waarden en uraniumconcentraties, wat wijst op de robuustheid van Ti(OH)PO4 in verschillende omstandigheden.

De elektrochemische mechanismen die de uraniumextractie bevorderen, zijn grotendeels te danken aan de specifieke eigenschappen van de ionpair-sites in Ti(OH)PO4. De Ti—O bindingen in Ti(OH)PO4 versterken de interactie met uraniumionen, waardoor deze gemakkelijker gereduceerd kunnen worden. Daarnaast spelen de defecten in de structuur, waar Tiδ+ aanwezig is, een sleutelrol in het aanpassen van de elektronstructuur van Ti(OH)PO4. De extra elektronen die zich in de Ti 3d-orbitalen nestelen, maken het mogelijk om uranium effectief uit nucleair afvalwater te extraheren, zelfs wanneer de concentratie van andere interfererende ionen hoog is. De overgang van Ti—C bindingen in OH-terminaal Ti3C2 naar Ti—O bindingen in Ti(OH)PO4 verschuift de energieniveaus van de orbitalen, wat de reactiviteit van het materiaal ten opzichte van uranium versterkt.

De toepassingen van Ti(OH)PO4 ionpair-sites in de elektrochemische extractie van uranium bieden dus aanzienlijke voordelen, vooral in situaties met hoog geconcentreerd fluor en andere co-existerende ionen. De eenvoud en efficiëntie van de procedure maken Ti(OH)PO4 tot een veelbelovende kandidaat voor de behandeling van nucleair afvalwater, wat bijdraagt aan de duurzaamheid van nucleaire energieproductie en de veilige verwerking van radioactief afval.

Hoe kan uranium efficiënt worden gewonnen uit complexe omgevingen?

Uranium is een essentieel element voor de nucleaire energieproductie, maar de traditionele winning van uranium uit mijnen staat voor aanzienlijke uitdagingen. Deze omvatten dalende mijngraden, stijgende kosten van de winning, en de groeiende milieueffecten van langdurige mijnbouwactiviteiten. In reactie hierop is er een toenemende interesse in het benutten van onconventionele uraniumbronnen, waaronder uraniumafvalwater en zelfs zeewater. Deze alternatieve bronnen bieden een potentieel voor een duurzamere manier van uraniumwinning, maar zijn niet zonder hun eigen problemen en complicaties.

Deze afvalstromen zijn vaak chemisch toxisch en radioactief, met uranium hoofdzakelijk in de hexavalente toestand, wat het gemakkelijk maakt om het uranium naar omliggende ecosystemen te transporteren via bodems en rivieren. Dit vormt een ernstige bedreiging voor de gezondheid van organismen in de getroffen gebieden. Bovendien wordt voorspeld dat de bewezen uraniumreserves op land binnen minder dan een eeuw uitgeput zullen zijn. Zeewater biedt echter een veel grotere hoeveelheid uranium – meer dan 4,5 miljard ton, meer dan duizend keer de hoeveelheid die momenteel op land beschikbaar is. Daarom is het proces van uraniumextractie uit zeewater en hoogfluoriderend afvalwater een onderzoeksgebied met veel potentieel.

In de praktijk wordt uranium extractie echter bemoeilijkt door de chemische complexiteit van de verschillende afvalwaterstromen en de verschillende vormen van uranium die aanwezig kunnen zijn. Zo komt uranium in zeewater voornamelijk voor in de vorm van uraniumcarbonaat, terwijl in afvalwater van uraniumzuivering fluoride-ionen in grote hoeveelheden aanwezig zijn, die complexe verbindingen met uranium kunnen vormen. Dit betekent dat voor verschillende toepassingen andere materiaalontwerpen vereist zijn om uranium effectief te kunnen extraheren.

Het ontwerp van deze materialen is van cruciaal belang voor hun effectiviteit in de praktijk. Aangezien uranium in verschillende chemische omgevingen voorkomt, is het noodzakelijk om katalytische materialen te ontwerpen die specifiek kunnen reageren op de variëteiten van uranium die in deze systemen aanwezig zijn. Dit kan bijvoorbeeld worden bereikt door het gebruik van chemisch actieve sites die specifiek reageren met uranylverbindingen in een fluoriderijk milieu, of door het gebruik van amidoximeverbindingen om uranium te extraheren uit zeewater.

In de toekomst zal de ontwikkeling van efficiënte uraniumextractiematerialen, die specifiek kunnen reageren op de chemische complexiteit van verschillende uraniumbronnen, een belangrijke bijdrage leveren aan de duurzaamheid van de nucleaire energieproductie. Dit vereist echter verder onderzoek naar de effectiviteit van deze materialen in praktijksituaties, waarbij ook factoren zoals milieu-impact en operationele haalbaarheid in overweging moeten worden genomen. Alleen door deze uitdagingen te overwinnen, kan uraniumwinning uit onconventionele bronnen daadwerkelijk een bijdrage leveren aan het waarborgen van een duurzame energietoekomst.