Hvordan biosvovelsurering forbedrer effektiviteten av kommersielt jernpulver i uranreduksjon

Biosulfidert BS-ZVI-prøve viser en betydelig reduksjon i fotoluminescensintensiteten sammenlignet med ubehandlet kommersielt ZVI-pulver. Dette resultatet demonstrerer at BS-ZVI har unike strukturelle fordeler, som effektivt kan fremme prosessen med elektron- og hullseparasjon, noe som igjen forbedrer ladningsoverføringskapasiteten i materialet. Denne egenskapen er svært gunstig for redoksreaksjonen av U(VI). Deretter ble fotostrømssignalene for ZVI og BS-ZVI målt ved hjelp av fotoelektrokjemisk metode. Eksperimentelle resultater viser at BS-ZVI gir en betydelig forbedring i fotostrømresponsen under lysbetingelser, med en maksimal strømintensitet på 0,08 mA/cm², som er mye høyere enn for ubehandlet ZVI. Denne oppdagelsen bekrefter at kjerneskallkonfigurasjonen til BS-ZVI forbedrer separasjonseffektiviteten av fotoinduserte ladningsbærere og fremskynder elektronoverføring over grensesnitt, og danner dermed et grunnlag for effektiv fotokatalytisk aktivitet.

For å avdekke berikelsesmekanismen til BS-ZVI for U(VI), ble det utført en rekke spektroskopiske analyser for å undersøke de komposisjons- og strukturforandringene i en prøve etter reaksjon med uran. FTIR-spektra viste et nytt karakteristisk toppunkt på 912 cm etter reaksjonen av BS-ZVI med U(VI), som ble tilskrevet dannelsen av U—O-binding, noe som indikerer at et nytt uranholdig stoff har dannet seg. I tillegg tyder vibrasjonsintensitetsendringer av funksjonelle grupper på at disse gruppene har vært aktivt involvert i uranberikelsesprosessen.

Valensstatusen til uran under reaksjonen ble videre undersøkt ved hjelp av høyoppløselig U4f XPS-spektroskopi. Det ble funnet at U4f-spektrene til alle prøvene kunne tilpasses vellykket i to grupper med karakteristiske topper: en gruppe ved 392,4 eV og 381,5 eV, som tilsvarer tilstedeværelsen av U(VI), og en annen gruppe ved 391,3 eV og 380,5 eV, som indikerer dannelsen av U(IV). Denne betydelige endringen i valensstatusen til uran antyder at uran ikke bare har en enkel adsorpsjonseffekt i reaksjonen med ZVI og BS-ZVI, men også kan være involvert i reduksjonsreaksjonen og kopresipitasjonsprosessen.

Videre avslørte Fe L-edge XAS-spektroskopi av BS-ZVI før og etter U(VI)-berikelse betydelige endringer. En bemerkelsesverdig reduksjon i Fe(II)-toppen ved 708,2 eV etter U(VI)-interaksjon antyder at Fe(II) er aktivt involvert i U(VI)-reduksjonsprosessen. XRD-analyse avslørte også eksistensen av (UO2)8O2(OH)12∙12H2O og UO2 diffraksjonstopper i produktet etter reaksjonen, noe som ytterligere bekrefter at U(VI) gjennomgår en kompleks prosess med adsorpsjon, reduksjon, oksidasjon og rekristallisering på overflaten av BS-ZVI.

Basert på de eksperimentelle resultatene ble en potensiell mekanisme for BS-ZVIs fjerning av U(VI) foreslått. Den kjerne-skalstrukturerte BS-ZVI framstår som et forbedret reagens for å håndtere uranforurensning. Jernkjernen fungerer som en elektron donor, og grensesnittet med bakterieoverflaten rik på EPS og FeS skaper et effektivt system for uransequestrering og reduksjon. Når det utsettes for lys, akselererer de fotoeksiterte egenskapene til FeS på BS-ZVI elektronoverføringshastigheten, noe som fremmer rask reduksjon av U(VI). Til å begynne med fjerner ZVI og S. putrefaciens en del av U(VI) gjennom reduksjon og adsorpsjon, men denne effekten er begrenset. Viktig er det at S. putrefaciens oppløser Fe(III)-oksidlaget på ZVI, noe som gjenoppretter dens reaktivitet. Fe(II)/Fe(III)-syklusen på BS-ZVI fremskynder transformasjonen av U(VI) til U(IV). I tillegg intensiverer bakterie-EPS ikke bare U(VI)-kompleksering, men fremmer også dens reduksjon. Fotoelektroner som frigjøres fra FeS, og som aktiveres av lys, bidrar betydelig som en ekstra reduktiv kraft for å målrette uran fanget av BS-ZVI. Til sammen bidrar disse mekanismene til å markant forbedre BS-ZVIs samlede evne til å fjerne U(VI).

Denne forskningen støtter sterk teknisk utvikling for kostnadseffektiv og bærekraftig håndtering av avløpsvann fra uranutvinningsoperasjoner. Fremtidige studier bør fokusere på hvordan kommersielt jernpulver oppfører seg i virkelige uranforurensede miljøer. Dette inkluderer hvordan det reduseres og transformeres under forskjellige miljøforhold, livssyklusforandringer, og eventuelle negative økologiske effekter. Videre vil optimalisering av modifikasjonsprosesser for å forbedre effektiviteten være avgjørende.

Hvordan kjemiske reaksjoner i uranets oksidasjonstilstander påvirker utvinning og miljøpåvirkning

I nukleær brenselsyklusen spiller uranfluorider som UF₄ og UF₆ en sentral rolle i uranets omdannelsesprosesser. Først reduseres U₃O₈ til UO₂, som deretter reagerer med fluor (HF) for å danne UF₄. UF₄ kan videre reagere med fluor (F₂) for å danne UF₆, en flyktig forbindelse som er essensiell for anrikningsteknologier som gasdiffusjon og sentrifugering. UF₆ er spesielt viktig for kommersielle kjernekraftreaktorer som krever uran anriket i isotopen 235U som brensel. Uranet er også utsatt for kjemiske reaksjoner som kan påvirke dets oppførsel i både utvinningsprosesser og i miljøet, avhengig av pH-nivå og tilstedeværelse av ligander i løsningen.

I alkaliske løsninger danner uran løselige karbonatkomplekser som UO₂(CO₃)₄³⁻, mens under sure forhold er uran mer tilbøyelig til å danne komplekser med klorid- og sulfationer. Eksempler på slike komplekser er UO₂SO₄²⁻ og [(UO₂(SO₄)₂)]²⁻. Slike reaksjoner er relevante for uranets transport og utvinning, spesielt i sammenheng med uranleaching i sure miljøer. Uran kan også danne hydroksylkomplekser som UO₂OH⁺ og UO₂(OH)₂, som igjen har betydning for miljøpåvirkningen av uran i naturen, samt for behandlingen av uranholdig avfall.

Valensomvandlingen av uran spiller en sentral rolle i prosesser som uranutvinning. Denne omdannelsen skjer ofte gjennom redoksreaksjoner mellom U(IV), U(V) og U(VI). U(IV) er den mest stabile oksidasjonstilstanden i nesten alle løsningsmidler og ligandenomgivelser. U(V) er relativt stabil, men kan gjennomgå disproportjonering under visse forhold, der det omdannes til U(IV) og U(VI). U(VI), også kjent som uranyl (UO₂²⁺), er den mest stabile oksidasjonstilstanden for uran og er derfor et hovedmål for utvinningsteknologier som er utviklet for naturlige forekomster og behandling av uranholdig avløpsvann.

For å forstå urans rolle i atomindustri og miljøpåvirkning er det viktig å studere de komplekse reaksjonene som skjer mellom uran og ulike kjemikalier. Disse prosessene er avgjørende for å kunne forutsi urans oppførsel, spesielt med tanke på avfallshåndtering, behandling av forurensede vannkilder og utvikling av nye teknologier for effektiv utvinning og sikker håndtering av radioaktivt materiale. Effektiv utnyttelse av uran og forbedrede metoder for utvinning vil bidra til å sikre bærekraftige løsninger i den nukleære energisektoren.