陕西科技大学制备出抗生物富集的高效海水提铀吸附剂

    海水提铀是解决陆地铀资源短缺的有效途径。然而，由于海水盐度较高，铀浓度极低（约为3.3 ppm）以及生物富集现象使吸附剂的性能急剧下降，海水提铀的实际发展仍面临重大挑战。开发制备吸附容量高且具有抗生物富集性的且可以大规模制备和在海洋中部署的海水提铀吸附剂是实现海水提铀工业化进程的必经之路。

    最近，陕西科技大学强涛涛教授团队首次采用原位合成法在羽毛纤维（FF）表面合成了Cu₂O颗粒，并将Cu₂O颗粒与偕胺肟复合到FF中制备了FF-Cu₂O/AO，用于提高FF的抗生物富集性，增强对铀的吸附效率。首先，将C≡N接枝到FF上，得到氰化羽毛纤维(FF-AN)，通过FF-AN与羟胺反应直接得到偕胺肟基羽毛纤维(FF-AO)。在偕胺肟反应过程中向FF-AN中加入Cu²⁺，可以在FF-AO上原位合成Cu₂O，制备得到FF-Cu₂O/AO。Cu₂O粒子在光催化作用下能产生具有生物毒性的ROS，因此Cu₂O的复合赋予FF-Cu₂O/AO抗生物富集性能。同时，在光催化作用下Cu₂O可以产生大量电子空穴，电子空穴可以增加了[UO₂(CO₃)₃]^4-与FF-Cu₂O/AO之间的静电引力，可以有效提高吸附效率。FF-Cu₂O/AO的合成路线、抗菌原理以及对铀的吸附如图1所示。

图1 A) FF-Cu₂O/AO的制备；B) FF-Cu₂O/AO抗菌原理图；C) FF-Cu₂O/AO强化吸附铀的机理

    如图2所示，FF-Cu₂O/AO在pH=7时，在8 ppm的掺铀水溶液中具有最大吸附容量，最大吸附容量可达到816 mg·g^-1；循环吸附-脱附实验表明FF-Cu₂O/AO在7次循环后还能保持初始吸附容量的80.4 %；在模拟海水中的吸附实验表明FF-Cu₂O/AO对铀具有优异的选择吸附性能。

图2 A) pH对FF-AO和FF-Cu₂O/AO对铀吸附能力的影响；B)吸附量随时间的变化；C, D) FF-AO和FF-Cu₂O/AO吸附铀的一级模型和二级模型；E) FF-Cu₂O/AO的循环使用性能；F) FF-Cu₂O/AO对模拟海水中铀的选择吸附性

    研究中采用抑菌圈法测定了FF、FF-AO和FF-Cu₂O/AO对海水中3种典型细菌的抑菌活性，结果如图3所示。实验结果显示只有加入Cu₂O后FF-Cu₂O/AO才具有抗菌效果，表明Cu₂O的加入有效提高了FF-Cu₂O/AO抗菌性能。

图3 A) FF、FF-AO和FF-Cu₂O/AO的抗菌实验；B) FF-Cu₂O/AO的抗菌原理

    通过在中国海南省三亚市近海地区(108.97◦E, 18.37◦N)的天然海水中进行吸附实验，测定了FF-Cu₂O/AO在天然海水中的吸附量，结果如图4所示。在天然海水中浸泡30天后，FF-Cu₂O/AO对铀的吸附容量7.73 mg-U/g-Ads。

图4 FF-Cu₂O/AO对天然海水中铀的吸附性能研究（插图：南海局部地图上的海洋实地研究地点位置）。

    该策略可用于制备其他基于偕胺肟功能化聚合物纤维的铀吸附剂，以提供抗菌和提高吸附性能。FF-Cu₂O/AO从天然海水中吸附铀的成本远低于常规吸附剂。因此，FF-Cu₂O/AO具有较高的铀提取能力、抗生物富集性能和低成本等优点，有望大规模应用于海水中提取铀。

    相关成果以“Anti-biofouling bio-adsorbent with ultrahigh uranium extraction capacity: One uranium resource recycling solution”发表在“Desalination”上，陕西科技大学19级博士研究生蒲亚东为该论文的第一作者，陕西科技大学强涛涛教授为本论文的通讯作者。

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原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.desal.2022.115721

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