Hvordan ultralydbehandling forbedrer ekstraksjonen av uran med kommersielt jernpulver

Khachatryans gruppe fant at jo høyere frekvensen av ultralydbølgene var, desto mindre ble gjennomsnittlig partikkelstørrelse til de produserte jernpulver-nanopartiklene. Haneef et al. fant at nano-aluminium også kan fremstilles ved ultralydbehandling av aluminiumsfolie. Under prosessen med reduksjon av U(VI) til Fe(0), dannes U(IV) direkte på jernpulverets overflate, noe som fører til det som kalles Kirkendall-effekten. Denne effekten forårsaker forstyrrelse i den originale krystallgitterstrukturen og introduserer defekter. Den lokale ultrahøye temperaturmiljøet som skapes under ultralydprosessen fremmer utviklingen av Kirkendall-effekten. Etter at defektene i jernpulverpartiklene er skapt av denne effekten, kan det høye trykket og de høyhastighets jetene som følger med kollapsen av kavitasjonsbobler forårsaket av ultralyd, ytterligere utvide defektene og føre til knusing av jernpulverpartiklene. Derfor er bruken av ultralydkoplet kommersielt jernpulver en potensiell top-down-metode for in-situ fremstilling av nanoskalært null-valent jern (nZVI).

Ultralydbehandling øker temperaturen i reaksjonsblandingen, noe som har en betydelig innvirkning på reaksjonshastigheten. I eksperimentene ble temperaturen regulert ved hjelp av et vannkjølesystem for å undersøke effekten av forskjellige temperaturer på reaksjonen, både med og uten ultralydbehandling. Eksperimentene viste at uraneksponeringen øker med temperaturen fra 25 til 40 °C, og at tiden for å oppnå nær likevekt er kortere med ultralydbehandling sammenlignet med uten. Resultatene viser at ultralydbehandling er den viktigste faktoren for å forbedre aktiviteten til kommersielt jernpulver.

Videre ble effekten av forskjellige pH-nivåer på ekstraksjon av U(VI) undersøkt. I motsetning til nZVI, hvor en svak syre- eller nøytral pH er mest gunstig for ekstraksjon, utvider ultralydkoplet kommersielt jernpulver pH-området til 2-9, samtidig som det opprettholder en fjerningseffektivitet på mer enn 90%. Dette kan forklares med at ultralydbehandling skaper mekanisk forstyrrelse som fremmer kollisjonen mellom UO₂²⁺ og jernpulveret, og dermed øker reaksjonsfrekvensen både i svakt sur og alkalisk løsning.

For å få en bedre forståelse av hvordan uran er beriket på jernpulveret etter ultralydbehandling, ble det utført detaljerte karakteriseringstester. Bildene fra elektronmikroskopi viste at jernpulveret etter reaksjonen var dekket med et stort antall nanopartikler på størrelse med 50–100 nm. Analysene viste at uranet var jevnt fordelt over nanopartiklene, noe som indikerer at ultralydbehandlet jernpulver effektivt kan berike uran. Valensforandringene til uran under ekstraksjonen ble også analysert ved hjelp av røntgenfotospektroskopi (XPS), og resultatene viste en økt intensitet av U(IV) i tilstedeværelse av ultralyd, noe som tyder på at ultralydbehandlingen forbedrer reduksjonsevnen til jernpulveret.

En nøkkelmekanisme for ultralydbehandlet kommersielt jernpulver i uran-ekstraksjon er den termiske effekten som kan påvirke resultatene. En kontrollgruppe hvor kun varme ble brukt uten ultralydbehandling, viste at overflaten av jernpulveret bare fikk en lett ruhet uten dannelse av nanopartikler. Dette antyder at den termiske effekten alene ikke er tilstrekkelig for å oppnå samme nivå av uran-ekstraksjon som ultralydbehandlingen.

Hvordan Reduksjonsmetoden for Uranutvinning Fungerer og Dens Fremtidige Muligheter

Reduksjonsmetoden for uvanlig utvinning av uran har fått økende oppmerksomhet som et alternativ til de tradisjonelle metodene, som vanligvis innebærer ionebytte eller adsorpsjonsteknikker. En av hovedfordelene ved reduksjonsmetoden er dens evne til å selektivt redusere U(VI) til U(IV), som fører til dannelsen av uløselige precipitate, som deretter kan separeres fra løsningen. Dette gjør det mulig å oppnå høyere effektivitet, mer presis kontroll og en mer miljøvennlig tilnærming sammenlignet med de mer konvensjonelle prosessene.

En av de mest lovende tilnærmingene i reduksjonsutvinning er bruken av kjemiske reduktanter. I denne prosessen reagerer en kjemisk reduktant med U(VI), og ved oksidasjon–reduksjon reagerer U(VI) til U(IV). De resulterende precipitatene av U(IV) kan deretter fjernes fra løsningen ved hjelp av fysisk separasjonsteknikk, som filtrering eller sentrifugering. Denne prosessen krever også etterbehandling som syrevask eller sintring for å rense uranforbindelsene ytterligere.

En annen viktig metode som har vist seg å være effektiv er fotokatalytisk reduksjon, der halvledermaterialer genererer elektron–hull-par under lysbelysning, og disse elektronene bidrar til å redusere U(VI) til U(IV). Denne teknikken er attraktiv på grunn av sin høye effektivitet og miljøvennlighet, og har fått stor oppmerksomhet for dens anvendelse i uranrening.

En mer innovativ metode i denne sammenhengen er elektrokatalytisk reduksjon, hvor en elektrokatalysator interagerer med U(VI) og tillater direkte elektronoverføring som reduserer U(VI) til U(IV). I begge de katalytiske metodene finnes U(IV) hovedsakelig som uløselige precipitate som lett kan separeres fra løsningen. Denne teknologien har fått stor betydning i behandlingen av uranavfall og potensielt i produksjonen av kjernefysiske drivstoff.

Imidlertid står nZVI overfor noen utfordringer. Langtidsstabilitet og ytelse under komplekse miljøforhold er fortsatt sentrale forskningsområder. For å overvinne disse utfordringene, pågår det forskning for å optimalisere egenskapene til nZVI, blant annet gjennom modifisering av synteseprosesser, bruk av tensider eller kombinasjon med andre materialer for å forbedre materialets motstand mot oksidasjon og aggregasjon. Det er viktig å påpeke at nZVI ikke bare er et potensielt verktøy for uranutvinning, men også for behandling av radioaktivt avfall og forvaltning av uranslam.

Fotokjemi og fotokjemisk reduksjon av uran er også en nøkkelkomponent i de nyeste fremskrittene innen uranutvinning. Fotokatalyse gjør det mulig å bruke sollys som en fornybar energikilde til å initiere kjemiske reaksjoner, og denne metoden er et steg mot mer bærekraftig og effektiv uranbehandling. Prosessen innebærer bruk av fotokatalysatorer som reduserer U(VI) til U(IV) når de utsettes for lys, og det har vist seg at denne metoden kan gi høyere effektivitet enn tradisjonelle kjemiske reduksjonsteknikker.

Uranutvinningsteknologi har, som nevnt, flere applikasjoner, ikke bare i nukleær industri, men også i miljømessig sanering og håndtering av uranslam fra gruvedrift og industri. Det er viktig å merke seg at for at disse teknologiene skal bli kommersielt bærekraftige, må ytterligere utvikling sikre lavere kostnader og høyere stabilitet under naturlige forhold.

For fremtidig forskning er det avgjørende å forstå samspillet mellom ulike prosesser, som reduksjon, adsorpsjon og kopresipitering, og hvordan disse kan optimaliseres for å oppnå høyest mulig effektivitet og lavest mulig miljøpåvirkning. Samtidig må man undersøke mulighetene for å bruke disse teknologiene i stor skala, både i industrielle prosesser og i behandlingen av uranforurensede områder. Videre bør det legges stor vekt på å utvikle mer robuste materialer som kan motstå de tøffe forholdene som finnes i naturlige og industrielle systemer.

Hvordan effektivt fjerne U(VI) fra vann med fotokatalytiske materialer

I lys av de store volumene av fluorin- og uranbelastet avløpsvann som genereres i industrielle prosesser, ble tester utført på fjerningseffektiviteten for U(VI) ved bruk av MnOx/NH2-UiO-66 i nærvær av F−-ioner. Siden F− kan danne sterke Zr-F-bindinger med zirkonium, ble XRD-spektra av MnOx/NH2-UiO-66 analysert etter reaksjonen under fluoridinterferenstestene, og konsentrasjonen av residualt Zr4+ i løsningen ble målt ved hjelp av induktivt koplet plasma optisk emisjonsspektrometri (ICP-OES). Som vist i figur 9.4a, viste MnOx/NH2-UiO-66 en lovende U(VI)-fjerningseffektivitet på 81,9% til tross for F−-interferens. Derimot indikerte XRD-spektraene av MnOx/NH2-UiO-66 (figur 9.4b) at strukturen og krystalliniteten forble stort sett intakt selv når det ble utsatt for bestemte konsentrasjoner av korrosive F−-ioner.

Gjennom å undersøke de elektroniske strukturene og optiske egenskapene til NH2-UiO-66, MnOx/NH2-UiO-66 og MnO2/NH2-UiO-66, ble mekanismen bak den fotokatalytiske reduksjonen av U(VI) utforsket. De ultrafiolette synlige (UV-Vis) spektrene for de tre prøvene (figur 9.6a) indikerer at innlemmelsen av MnOx nanopartikler i NH2-UiO-66 betydelig forbedrer dens lysabsopsjon i det synlige lysområdet. Etter 10 timers bestråling reduserte konsentrasjonen av U(VI) seg fra 50 mg/L til 28 μg/L, og oppfylte dermed Verdens helseorganisasjons (WHO) standarder for drikkevann. Ved å bruke Tauc-ligningen og UV-Vis absorpsjonsforholdene (figur 9.6a), ble plottene for (𝛼 - h𝜈)2 versus h𝜈 konstruert. Bandgap (Eg)-verdiene for NH2-UiO-66, MnOx/NH2-UiO-66 og MnO2/NH2-UiO-66 ble bestemt til henholdsvis 3,01, 2,88 og 2,94 eV (figur 9.6b). Basert på disse Eg-verdiene og posisjonene til valensbåndets maksimum (VBM), ble bandstrukturdiagrammer for de tre prøvene konstruert (figur 9.6c). Figur 9.6c illustrerer at kantene til ledningsbåndene (CB) for alle de tre prøvene overstiger reduksjonspotensialet til UO2+ 2/UO2-parret (−0,411 eV), og oppfyller dermed de teoretiske kravene for den fotokatalytiske reaksjonen.

I denne studien er det klart at fotokatalytiske materialer som MnOx/NH2-UiO-66 har et stort potensial for effektiv fjerning av U(VI) fra forurenset vann, spesielt i nærvær av ioniske forstyrrelser som F−. Dette kan ha en betydelig innvirkning på industripraksiser som genererer uran- og fluoridbelastede vannstrømmer. Det er viktig å merke seg at slike materialers ytelse kan forbedres gjennom videre utvikling av deres strukturelle stabilitet og fotokatalytiske effektivitet under ulike forhold.