في دراسة نشرتها الجمعية الكيميائية الأميركية طوّر باحثون أقطابا تُستخدم للاستخلاص الكهروكيميائي لاستخراج اليورانيوم بكفاءة من مياه البحر. وهذه الأقطاب الكهربائية قائمة بذاتها وخالية من المواد الرابطة وخالية من المعادن ومسامية وذات إطار عطري.
ويُستخرج اليورانيوم حاليا من الصخور، لكن تقديرات وكالة الطاقة النووية تشير إلى أن 4.5 مليارات طن من اليورانيوم تطفو في المحيطات على شكل أيونات يورانيل مذابة، وهذا الاحتياطي يزيد ألف مرة عما هو موجود على الأرض، مما يوفر فرصة جديدة لتوفير إمدادات مستدامة من الوقود النووي، خاصة أن احتياطيات موارد اليورانيوم المحدودة على الأرض تمثل عقبة خطيرة أمام تطوير صناعة الطاقة النووية المستدامة.
ما هي الطاقة النووية؟
الطاقة النووية هي مصدر طاقة نظيف ومنخفض الكربون وبديل عن الوقود الأحفوري يوفر ضمانة هامة للتنمية الخضراء. أما اليورانيوم فهو الوقود الرئيسي لمفاعلات الطاقة النووية.
وتُطلِق مفاعلات الطاقة النووية الطاقة المخزنة بشكل طبيعي داخل الذرة وتحولها إلى حرارة وكهرباء عن طريق تفكيك الذرة، وهي عملية تُعرف باسم الانشطار. وقد أصبح اليورانيوم العنصر المفضل في هذه العملية حيث إن جميع أشكاله غير مستقرة ومشعة مما يجعل من السهل انشطاره.
استخلاص اليورانيوم من مياه البحر
وتعد عملية استخلاص اليورانيوم من البحر عملية صعبة، فمياه البحر تمتلك قوة أيونية عالية وأيونات متداخلة معقدة تعوق استخراج اليورانيوم.
وإضافة إلى ذلك، تحتوي مياه البحر على كميات وفيرة من الترسبات الحيوية للكائنات الحية البحرية الدقيقة وغيرها من الكائنات البيولوجية، مما يحد من التطبيق العملي لمُستخلِصات اليورانيوم في البحار والمحيطات.
كما أن المواد التي تستخدم لاستخلاص اليورانيوم لا تحتوي على مساحة سطحية كافية لاحتجاز الأيونات بشكل فعال، لذا فإن الأقطاب التي طورها الباحثون في هذه الدراسة تحتوي على الكثير من الزوايا والشقوق المجهرية التي يمكن استخدامها في الالتقاط الكهروكيميائي لأيونات اليورانيوم من مياه البحر.
ولإنشاء هذه الأقطاب الكهربائية، استخدم الباحثون قطعة قماش مرنة منسوجة من ألياف الكربون، وغلفوا هذا القماش باثنين من المونومرات المتخصصة التي تمت بلمرتها بعد ذلك. ثم عالجوا القماش باستخدام هيدروكلوريد الهيدروكسيل أمين لإضافة مجموعات الأميدوكسيم إلى البوليمرات. وخلق التركيب الطبيعي المسامي للقماش العديد من الجيوب الصغيرة حتى يستقر الوسط الأكسجيني ويحتجز أيونات اليورانيل بسهولة.
وأثناء التجارب وضع الباحثون القماش المطلي ككاثود في مياه البحر المملوءة باليورانيوم، وأضافوا آنودًا من الغرافيت وقاموا بتشغيل تيار دوري بين الأقطاب الكهربائية. ومع مرور الوقت، تراكمت رواسب ذات لون أصفر فاتح غنية باليورانيوم على قماش الكاثود.
في هذه الدراسة تحققت قدرة استخلاص عالية لليورانيوم خلال ٢٤ يوما من التشغيل تبلغ 12.6 مليغرام من اليورانيوم لكل غرام من المادة النشطة المغلفة المستخدمة للاستخلاص. وكانت قدرة المادة المطلية أعلى من معظم مواد استخلاص اليورانيوم الأخرى التي اختبرها الفريق. ويمكن للأقطاب التي تم تصميمها أن تحقق بشكل فعال استخراج اليورانيوم الكهروكيميائي من خلال عمليات الامتزاز والتحفيز الكهربائي.
وأظهرت هذه الطريقة أن طريقة الكهروكيميائية أسرع بثلاثة أضعاف من طريقة الامتزاز الفيزيائي والكيميائي، كما أظهرت أيضا انتقائية جيدة ضد الأيونات المتنافسة.
لقد أعطت هذه الدراسة فهما ميكانيكيا متعمقا وإستراتيجية فعالة لاستخراج اليورانيوم الكهروكيميائي بواسطة الأقطاب الكهربائية من مياه البحر.