从放射性有机废水中电化学高效回收铀酰：共价有机框架电极的创新应用

在核能发展中，从含铀酰放射性有机废水回收铀酰意义重大。华北电力大学等研究人员开展 “用电化学方法从放射性有机废水回收铀酰” 的研究，利用 PAE-COF-AO@CC 电极，实现高容量铀酰提取且可转化为 U3O8，为铀资源回收提供新途径。

　　在核能领域，铀是至关重要的战略资源，对可持续发展和深度脱碳意义非凡。然而，随着核工业蓬勃发展，陆上铀资源预计 80 年内将枯竭。尽管海洋中蕴含 45 亿吨铀，但高离子强度干扰和极低铀浓度使得从海水中高效获取铀困难重重。与此同时，核工业产生的大量含铀酰放射性有机废水，不仅具有放射性，还存在化学毒性，对人类健康和生态环境构成双重威胁。目前，从这类复杂废水基质中回收铀酰的研究较少，传统处理方法，如吸附、直接电化学法和离子交换等，因废水复杂的水基质，受到诸多限制，难以实现高效铀酰提取。

为解决这些难题，华北电力大学、北京科技大学等研究机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们提出一种间接电化学方法，利用自支撑的共价有机框架电极（PAE-COF-AO@CC），从低水平放射性有机废水中高效提取铀酰。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为铀资源回收开辟了新方向。

研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。在材料表征方面，采用粉末 X 射线衍射（XRD）分析材料晶体结构，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）确定化学键振动情况，扫描电子显微镜（SEM）观察材料微观形貌；通过电化学工作站进行电化学测量，研究电极的电化学性能；运用 X 射线光电子能谱（XPS）和扩展 X 射线吸收精细结构（EXAFS）等技术，深入探究铀酰的配位环境和提取机制 。

下面来看具体的研究结果：

• PAE-COF-AO@CC 电极的表征：研究人员通过原位生长和偕胺肟化两步法制备了 PAE-COF-AO@CC 电极。SEM 图像显示，片状结构均匀生长在碳布表面。XRD 分析表明，PAE-COF-CN 和 PAE-COF-AO 成功负载到碳布上。FT-IR 和固体¹³C NMR 光谱进一步证实了 COF 骨架的形成以及偕胺肟基团的成功引入。
• 铀酰的电化学回收：研究发现，PAE-COF-AO@CC 电极对铀酰的提取性能显著优于纯碳布电极。在不同条件下，如改变 pH 值、施加电压、调整 U/Na 比以及不同铀酰浓度，该电极都展现出高效的提取能力。在 50 ppm 铀酰浓度下，提取率可达 99.02%，提取容量为 660.16 mg/g。而且，连续使用该电极 204 h 后，提取效率仍能保持在约 90%。
• 铀酰电化学提取的机制：通过对比 PAE-COF-AO@CC 电极在不同气体饱和电解质中的循环伏安（CV）曲线，结合比色法检测过氧化氢，研究人员发现铀酰提取与电催化产生过氧化氢密切相关。XRD、XPS、原位拉曼光谱和 SEM 等分析表明，提取的铀酰以 ( UO₂)O₂·4H₂O（studtite）形式存在，且没有中间 U (IV) 物种生成。此外，偕胺肟基团对铀酰的强螯合能力以及电极持续产生过氧化氢和吸附铀酰的特性，确保了 studtite 的持续生长。
• 在低水平放射性有机废水中的提取性能：将 PAE-COF-AO@CC 电极应用于低水平放射性有机废水的铀酰提取，在 -0.493 V（vs. Ag/AgCl）电压下反应 24 h，提取效率达到 93.80%，提取容量为 592.94 mg/g，是物理吸附的 6 倍。连续提取 450 h，累计提取容量高达 9238.9 mg/g。而且，在 pH 为 9 的条件下，该电极仍能保持良好的提取性能。经煅烧，负载 studtite 的电极可转化为高纯度的 U₃O₈，经济评估显示，该方法的提取成本约为 0.50 美元 / 克 U。

在研究结论和讨论部分，研究人员提出的间接电化学方法，为从低水平放射性有机废水中高效提取铀酰提供了新策略。PAE-COF-AO@CC 电极不仅能产生过氧化氢，还为铀酰提供螯合位点，促进 studtite 的原位生长，实现了从复杂有机废水基质中高效提取铀酰。同时，研究表明废水中高浓度的硝酸铵和有机物对铀酰的原位提取没有干扰。与传统物理化学吸附技术相比，该电化学方法在铀资源回收方面迈出了重要一步，有望推动核工业中铀资源回收技术的发展，为解决铀资源短缺问题提供有力支持，对实现核能可持续发展具有重要意义。