Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
De inverse spinelstructuur van Fe3O4 nanokristallen heeft een belangrijke rol gespeeld in hun elektrochemische eigenschappen, vooral met betrekking tot de efficiëntie van uraniumextractie uit zeewater. Bij de analyse van de XPS-spectra van de twee verschillende Fe3O4 nanokristallen werden pieken gevonden die overeenkomen met zowel Fe2+ als Fe3+, met een integraal areaalverhouding van 1:2. Deze verhouding was in overeenstemming met de kristalfase van Fe3O4, zoals weergegeven in de Fe 2p XPS-spectra. In de O 1s XPS-spectra werden twee duidelijke pieken waargenomen bij 529,9 eV en 531,1 eV, wat respectievelijk overeenkomt met roosterzuurstof en zuurstofvacatures. De hoeveelheden zuurstofvacatures in zowel de nano-octahedrale Fe3O4 als de nanocubische Fe3O4 waren vergelijkbaar, wat suggereert dat de defectniveaus van de twee types nanokristallen min of meer identiek waren.
De invloed van de kristalvlakken van Fe3O4 op de efficiëntie van uraniumextractie werd onderzocht met behulp van elektrochemische extractieproeven. Bij deze experimenten werd een drieweekselige elektrodeconfiguratie gebruikt in een 100 ml 0,5 M Na2SO4-elektrolytoplossing met een uraniumconcentratie van 8,0 ppm. De resultaten van de extractie-efficiëntie toonden aan dat de nano-octahedrale Fe3O4 nanokristallen, na 480 minuten elektrochemische extractie, een uraniumextractie-efficiëntie van 93,7% bereikten, terwijl de nanocubische Fe3O4 slechts 63,0% bereikte onder dezelfde omstandigheden. Dit benadrukt de superieure prestaties van de nano-octahedrale Fe3O4 in vergelijking met de nanocubische variant.
De elektrochemische extractie van uranium uit zeewater werd verder geanalyseerd door interferentie-iontests en stabiliteitstests. Bij de elektrochemische extractie van uranium werden verschillende verontreinigende ionen zoals K+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, V5+, Co2+ en Mn2+ toegevoegd aan de elektrolyt om de interferentie-eigenschappen van nano-octahedrale Fe3O4 te evalueren. De resultaten lieten zien dat de elektrochemische extractie-efficiëntie van U(VI) boven de 90% bleef, zelfs in de aanwezigheid van diverse verontreinigende ionen, wat duidt op de anti-interferentiecapaciteiten van de nano-octahedrale Fe3O4 nanokristallen. Bovendien bleef de extractie-efficiëntie na drie extractie-desorptiecycli boven de 90%, wat aangeeft dat de nano-octahedrale Fe3O4 uitstekende stabiliteit heeft.
Verdere experimenten met echte zeewatermonsters toonden aan dat de nano-octahedrale Fe3O4 nanokristallen in staat waren om uranium uit zeewater te extraheren met een efficiëntie van 50,0% voor alle onderzochte volumes. Na acht uur van elektrochemische extractie in 10,0 L natuurzeewater werd 17,5 μg uranium geëxtraheerd, met een rendement van 3,5 mg/g. De elektrochemische tests gaven verder inzicht in het mechanisme van de U(VI)-extractie, waarbij duidelijk werd dat uranium zich verspreidde over de Fe3O4-regio en geassocieerd werd met de (222)-kristalvlakken van nano-octahedrale Fe3O4.
De XPS-spectra na uraniumextractie bevestigden de aanwezigheid van zowel U(IV) als U(VI), wat suggereert dat de reductie van uranium effectief plaatsvond tijdens het extractieproces. Het gebruik van HAADF-STEM-beelden op atomair niveau onthulde dat uranium gelijkmatig werd verdeeld over de (222)-kristalvlakken van nano-octahedrale Fe3O4. Dit mechanisme werd verder ondersteund door de resultaten van de lineaire sweep voltammetrie (LSV), waaruit bleek dat nano-octahedrale Fe3O4 een sterker negatieve reductiepunt vertoonde in vergelijking met de nanocubische Fe3O4, wat aangeeft dat de (222)-vlakken bijzonder gunstig zijn voor de reductie van uranium.
Wat belangrijk is om te begrijpen, is dat de eigenschappen van de Fe3O4 nanokristallen, zoals de kristalstructuur en de blootgestelde kristalvlakken, direct van invloed zijn op hun prestaties bij de elektrochemische extractie van uranium. De nanocubische Fe3O4 kristallen zijn duidelijk minder efficiënt dan de nano-octahedrale varianten, wat benadrukt hoe de kristalorientatie de capaciteit van de nanodeeltjes kan beïnvloeden bij toepassingen zoals uraniumextractie uit zeewater. Deze bevindingen geven waardevolle inzichten in de rol van nanopartikelkatalysatoren in milieutoepassingen en kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van efficiëntere methoden voor het extraheren van waardevolle metalen uit natuurlijke waterbronnen.
Wat is het mechanisme achter de elektrochemische extractie van uranium uit kernafvalwater?
De elektrochemische extractie van uranium uit kernafvalwater is een proces dat de concentratie van uranium in vloeistoffen, zoals nucleair afvalwater, aanzienlijk kan verlagen door gebruik te maken van elektrochemische afzettingen. Na een uur deponeerde een lichtgrijze afzetting zich op het elektrodeoppervlak. De kleur van de afzetting veranderde geleidelijk, en binnen vijf uur kreeg de afzetting een donkergele tint. Na zeven uur vormde zich een volledig donkere gele depositie. Gedurende dit proces werden de afzettingen op verschillende tijdstippen verzameld om de aard van de aanwezige uraniumverbindingen tijdens de extractie te verifiëren. XRD-patronen (röntgendiffractie) toonden aan dat de grijze afzettingen die na één en drie uur werden verzameld, bestonden uit U3O7 (JCPDS #42-1215), wat een vorm van UO2+ x is, die zowel U(V) als uranium(IV) (U(IV)) bevat. Deze afzettingen, die ontstonden in de eerste stadia van de elektrolyse, tonen aan dat het uranium in de beginfase van het proces in lagere oxidatietoestanden verkeert.
Na vijf en zeven uur van elektrolyse vertoonden de gele afzettingen XRD-patronen die overeenkwamen met die van K3UO2F5 (JCPDS #38-0023). De XPS-analyse toonde aan dat de grijze afzettingen een hogere concentratie U(IV) en U(V) bevatten in vergelijking met de gele afzettingen. Deze bevindingen wijzen op de oxidatie en kristallisatie van uraniumverbindingen met een lagere valentie gedurende het proces. De gele uraniumverbindingen werden verder onderzocht door middel van HRTEM-beelden (high-resolution transmission electron microscopy), waaruit bleek dat de afzettingen een roosterafstand van 0,32 nm vertoonden, wat overeenkomt met de (220)-vlakken van K3UO2F5. Dit werd verder bevestigd door energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS), die een uniforme verdeling van uranium (U), kalium (K) en fluor (F) in de gele afzetting aangaf.
Om het proces van uraniumextractie beter te begrijpen, werd theoretische simulatie uitgevoerd om het adsorptiegedrag van UO2Fx op de ionaire sites van Ti(OH)PO4 te onderzoeken. De UO2F+ werd gestabiliseerd op de ionaire paar-sites van Ti(OH)PO4 door interacties tussen PO3−-UO2+ en Tiδ+-F. Dit model suggereert dat de interacties tussen de UO2F+ en de Ti(OH)PO4-sites de afzetting stabiliseren en tegelijkertijd de reductie van uraniumionen bevorderen. Deze stabilisatie is cruciaal voor de effectiviteit van de uraniumextractie, aangezien de adsorptie van uranium een belangrijke stap is in het verhogen van de efficiëntie van de extractie.
Tijdens het elektrochemische proces verandert het oorspronkelijk geadsorbeerde UO2Fx van een gereduceerde toestand (U3O7) naar een geordende kristallijne toestand (K3UO2F5). De elektrochemische extractie-efficiëntie in kernafvalwater van brandstofproductiefaciliteiten bereikt 99,6% na zeven uur, wat een aanzienlijke extractiecapaciteit van 6829 mg/g betekent zonder verzadiging van het systeem. Deze resultaten onderstrepen de potentie van Ti(OH)PO4 als een efficiënt materiaal voor uraniumextractie uit nucleair afvalwater.
Het gebruik van ionaire paarstructuren in de elektrochemische extractie van uranium biedt een veelbelovende strategie voor het herstel van uranium uit echt, complex nucleair afvalwater. Dit onderzoek biedt niet alleen nieuwe inzichten voor het uraniumherstel in verschillende afvalwateromgevingen, maar heeft ook bredere implicaties voor de aanpak van nucleaire vervuiling en de mogelijke herwinning van uranium uit andere bronnen, zoals zeewater.
Het is essentieel voor de lezer te begrijpen dat het proces van uraniumextractie niet alleen afhankelijk is van de chemische reacties op de elektrode, maar ook van de interacties tussen het uranium en de materialen die als elektrode dienen. De keuze voor Ti(OH)PO4 blijkt een belangrijke factor te zijn voor het succes van het proces, aangezien het niet alleen het uranium effectief adsorbeert, maar ook de reductie van uraniumionen bevordert, wat essentieel is voor de vorming van de stabiele kristallijne afzettingen die uiteindelijk kunnen worden verwijderd. Het gebruik van dergelijke materialen kan verder worden geoptimaliseerd voor andere toepassingen in de verwerking van kernafval.