海水淘“金”新紀(jì)元：解鎖海水提鈾技術(shù)

出品：科普中國(guó)

作者：李瑞（半導(dǎo)體工程師）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

在人類不斷開發(fā)地球資源的過程中，海洋一直是一個(gè)充滿神秘和潛力的領(lǐng)域。隨著陸地鈾礦資源日益稀缺，科學(xué)家們將目光投向了浩瀚的海洋。

近日，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所的科研團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域取得了重大突破，開發(fā)出了一種具備超高選擇性的新型海水提鈾材料，為核能的可持續(xù)發(fā)展開辟了新的道路。這項(xiàng)突破性研究不僅展示了我國(guó)在材料科學(xué)和海洋資源利用領(lǐng)域的創(chuàng)新能力，也為全球核能發(fā)展和海洋資源開發(fā)提供了新的思路和方法。

一塊高濃縮鈾錠（U-235同位素含量被提高到20%以上的鈾）

（圖片來源：維基百科）

海洋中的隱藏寶藏：鈾資源的新來源

鈾作為核能發(fā)展的重要原料，其儲(chǔ)量和供應(yīng)一直是全球關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著陸地鈾礦的持續(xù)開采，可獲取的資源逐漸減少，這給核能的長(zhǎng)期發(fā)展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。然而，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，海洋中蘊(yùn)含著巨大的鈾資源。盡管海水中鈾的濃度相對(duì)較低，僅有約3.3微克/升，但由于海洋擁有龐大體積，其中蘊(yùn)含的總鈾量是驚人的，估計(jì)約為45億噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了已知的陸地鈾儲(chǔ)量。

從海水中提取鈾的優(yōu)勢(shì)在于，海洋中的鈾資源是可再生的。隨著河流不斷將陸地上的鈾元素沖刷入海，海水中的鈾含量能夠保持相對(duì)穩(wěn)定。因此，如果能夠有效地從海水中提取鈾，理論上我們將擁有幾乎用之不竭的鈾資源供應(yīng)。

然而，這項(xiàng)技術(shù)面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，海水成分極其復(fù)雜，除了鈾，還包含大量其他離子和有機(jī)物。其次，鈾在海水中的濃度極低，這意味著需要處理大量的海水才能獲得有意義的鈾量。更棘手的是，海水中存在大量干擾離子，尤其是釩離子的干擾最為嚴(yán)重。釩離子不僅濃度比鈾高，而且化學(xué)性質(zhì)相似，常常會(huì)與鈾爭(zhēng)奪吸附位點(diǎn)，嚴(yán)重影響提取效率。

方鈾礦是最常用來提取鈾的礦石

（圖片來源：維基百科）

海藻酸鈉-DNA：自然靈感帶來的科技突破

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所的研究團(tuán)隊(duì)采取了一種獨(dú)特的方法。他們巧妙地利用了自然界中常見的材料——海藻酸鈉（SA）和DNA，開發(fā)出了一種新型的吸附材料。這種創(chuàng)新的組合不僅充分利用了兩種材料各自的優(yōu)勢(shì)，還通過它們的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了前所未有的高效吸附和選擇性。

海藻酸鈉是一種從海藻中提取的天然多糖，具有良好的凝膠性能和生物相容性。它能夠形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提供大量的吸附位點(diǎn)。而DNA，作為生命的基本組成單位，具有獨(dú)特的分子識(shí)別能力。通過精心設(shè)計(jì)DNA序列，研究團(tuán)隊(duì)成功地賦予了材料對(duì)鈾離子的特異性識(shí)別能力。

研究團(tuán)隊(duì)采用了一步滴定-鈣交聯(lián)自組裝法，制備出了具有半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SA-DNA水凝膠微球。這種方法不僅簡(jiǎn)單高效，還能確保DNA均勻分布在海藻酸鈉網(wǎng)絡(luò)中。制備出的微球大小約為2毫米，內(nèi)部包含了大量微米級(jí)的孔隙。這種多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅提高了材料的傳質(zhì)效率，還能充分暴露活性位點(diǎn)，從而提高吸附效率。

最令人驚嘆的是，這種材料對(duì)鈾酰離子（UO2?2）的選擇性是釩離子的43.6倍。這一數(shù)據(jù)意味著，即使在復(fù)雜的海水環(huán)境中，這種材料也能準(zhǔn)確地捕捉到鈾離子，而不會(huì)被其他離子嚴(yán)重干擾。這種高選擇性的實(shí)現(xiàn)，為從海水中高效提取鈾開辟了新的可能性。

海藻酸鈉-DNA水凝膠復(fù)合微球的制備過程及結(jié)構(gòu)示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

分子層面的奧秘：DNA的獨(dú)特作用

為了理解這種材料為什么能如此準(zhǔn)確地選擇鈾，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)試。他們發(fā)現(xiàn)DNA在這個(gè)過程中起到了關(guān)鍵作用，它獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得材料能精準(zhǔn)地吸附鈾?？茖W(xué)家們用特殊的光學(xué)設(shè)備觀察了材料在吸附鈾前后的變化。結(jié)果顯示，DNA的某些部分在與含鈾海水作用后發(fā)生了明顯變化，證明DNA直接參與了抓取鈾的過程。

另一種分析方法進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)。研究人員發(fā)現(xiàn)，鈾主要與DNA中的某些原子結(jié)合。同時(shí)，鈾也與微球表面的其他部分形成了連接，這種多重作用使得材料更容易吸附鈾。研究團(tuán)隊(duì)還使用計(jì)算機(jī)模擬了分子層面的相互作用。結(jié)果顯示，DNA和鈾之間形成了特殊的結(jié)構(gòu)，這解釋了為什么該材料能如此有效地與鈾發(fā)生吸附。

這些發(fā)現(xiàn)不僅解釋了為什么這種材料擁有出色的吸附效果，還為設(shè)計(jì)更好的材料提供了指導(dǎo)。科學(xué)家們希望通過調(diào)整DNA，開發(fā)出可以從海水中提取其他有價(jià)值金屬的材料，為更廣泛利用海洋資源開辟新的可能。

Ⅱ) SA-DNA水凝膠微球的SEM圖像；Ⅳ) 內(nèi)部形態(tài)

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

綠色環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益的完美結(jié)合

除了卓越的性能外，這種新型吸附劑還具有多項(xiàng)實(shí)用優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)了綠色環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益的完美結(jié)合。首先，它采用的原料——海藻酸鈉和DNA都是自然界中常見的物質(zhì)。海藻酸鈉可以從海藻中大量提取，而DNA可以通過生物技術(shù)大規(guī)模合成。這些原料價(jià)格相對(duì)低廉，易于獲取，大大降低了生產(chǎn)成本，使得大規(guī)模應(yīng)用成為可能。

其次，這種材料環(huán)境友好，不會(huì)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)造成顯著負(fù)面影響。海藻酸鈉作為一種天然多糖，具有良好的生物相容性和可降解性。即使少量材料進(jìn)入海洋環(huán)境，也能被自然分解，不會(huì)造成長(zhǎng)期污染。這一特性在核能開發(fā)與環(huán)境保護(hù)之間找到了一個(gè)平衡點(diǎn)，體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的理念。

此外，SA-DNA水凝膠微球還具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和可回收性。實(shí)驗(yàn)表明，這種材料能夠承受海水中的各種物理?xiàng)l件，如海浪沖擊和深水壓力，而不會(huì)輕易破碎。更重要的是，它可以通過簡(jiǎn)單的化學(xué)處理重新生成，實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)使用。這種可重復(fù)使用的特性進(jìn)一步提高了其經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用性，降低了長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本。

在實(shí)驗(yàn)條件下，這種材料在25℃、pH值為4.0的環(huán)境中，最大吸附容量可達(dá)189.5mg/g。這一數(shù)據(jù)顯示了其卓越的吸附性能，遠(yuǎn)超許多傳統(tǒng)吸附材料。雖然實(shí)際海水環(huán)境可能會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生一定影響，但這仍為實(shí)際應(yīng)用提供了有力支持。

值得注意的是，這種材料的制備過程相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的設(shè)備或嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件。這意味著它可以較容易地實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，降低了從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)應(yīng)用的門檻。

全球鈾礦及鈾需求分布圖

（圖片來源：維基百科）

未來展望：開啟海洋資源利用新篇章

研究人員指出，由于特定DNA具有識(shí)別各種金屬離子的獨(dú)特能力，這種基于DNA的吸附劑可能用于從海水中回收其他有價(jià)值的金屬離子。例如，海水中還含有大量的鋰、鎂、鈷等戰(zhàn)略資源，這些元素在新能源和高科技產(chǎn)業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。

利用生物資源富集鈾在自然界中亦有案例，圖中檸檬酸桿菌中的鈾濃度可以比周圍環(huán)境高出300倍

（圖片來源：維基百科）

通過調(diào)整DNA序列和材料結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們有望開發(fā)出針對(duì)這些元素的高效吸附劑。這為海洋資源的綜合利用開辟了新的視野，可能徹底改變我們獲取稀有金屬的方式。

參考文獻(xiàn)：

1.Wansheng Zhang et. al., SA-DNA hydrogel microspheres for Ultra-Selective uranyl (VI) extraction from seawater