Nova estratégia eletroquímica aumenta a recuperação de urânio de águas residuais complexas
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Os investigadores revelaram um novo método promissor que poderá transformar a forma como o urânio é recuperado de fluxos de águas residuais difíceis. Ao combinar uma estrutura orgânica covalente especialmente concebida com um processo eletroquímico indireto, a abordagem proporciona uma elevada eficiência, estabilidade a longo prazo e uma forte tolerância a ambientes quimicamente complexos. Os resultados fornecem uma nova perspetiva sobre a forma como os materiais funcionais avançados e as condições de funcionamento optimizadas podem trabalhar em conjunto para apoiar um desenvolvimento mais limpo e sustentável da energia nuclear.
Otimização sinérgica de parâmetros na reciclagem eletroquímica de uranilo: mecanismos e perspectivas dos eléctrodos COF autónomos
Tao Wen, Muhammad Wakeel
O urânio é um recurso vital para a produção de energia nuclear, mas a extração convencional enfrenta pressões ambientais e económicas crescentes. Cientistas de todo o mundo estão a explorar novas formas de extrair urânio de fontes não convencionais, como águas residuais, água do mar e efluentes industriais contaminados. A extração eletroquímica de urânio surgiu como uma alternativa atractiva porque permite um funcionamento controlável, uma resposta rápida e uma elevada seletividade. No entanto, a tecnologia ainda se debate com problemas como a passivação do elétrodo, a interferência de iões concorrentes e o elevado custo de fabrico de eléctrodos eficientes.
Um estudo recente abordou estas limitações criando um elétrodo de estrutura orgânica covalente autónomo capaz de realizar duas tarefas em simultâneo. Construído sobre um suporte de tecido de carbono, o elétrodo contém uma espinha dorsal de poliariléter que conduz a reação de redução do oxigénio para produzir peróxido de hidrogénio, juntamente com grupos amidoxima que ligam seletivamente iões uranilo. A combinação proporciona uma via química e eletroquímica coordenada que melhora consideravelmente o processo de extração.
Um dos pontos fortes do estudo é a sua avaliação sistemática dos factores que influenciam o desempenho da extração. Os investigadores descobriram que o pH da solução desempenha um papel central. Em ambientes ácidos, a protonação dos grupos amidoxima reduz a sua capacidade de atrair urânio. Em contrapartida, as condições neutras a alcalinas promovem uma ligação mais forte e apoiam a formação de studtite, um composto cristalino de peróxido de urânio que se forma durante a extração. Quando o pH é mantido dentro de um intervalo favorável, o sistema atinge eficiências de extração superiores a 90 por cento.
A tensão aplicada é outro parâmetro fundamental. A taxa de produção de peróxido de hidrogénio depende diretamente da tensão, que controla a reação de redução de oxigénio de dois electrões. O aumento do potencial aplicado melhora significativamente a recuperação de urânio ao elevar a concentração local de peróxido de hidrogénio perto da superfície do elétrodo. Isto acelera a formação de studtite e aumenta a eficiência da extração, especialmente em concentrações elevadas de urânio.
O sistema também apresenta uma excelente resistência à interferência dos iões de sódio e dos aditivos orgânicos normalmente encontrados nas águas residuais reais. Mesmo em soluções com elevada força iónica ou componentes orgânicos complexos, o elétrodo mantém eficiências de extração de urânio superiores a 85%. Esta resistência reflecte a forte seletividade intrínseca dos grupos amidoxima para os iões uranilo.
Os testes de desempenho a longo prazo ilustram ainda mais a durabilidade da abordagem. Em águas residuais radioactivas ricas em orgânicos, o elétrodo acumulou mais de nove mil miligramas de urânio por grama de material ao longo de 450 horas de funcionamento contínuo, o que se situa entre os valores mais elevados registados em sistemas electroquímicos de extração de urânio.
O mecanismo sinérgico por detrás deste sucesso envolve duas etapas interligadas. Em primeiro lugar, os grupos amidoxima quelam iões uranilo e iniciam a nucleação. Em segundo lugar, o peróxido de hidrogénio electrogerado impulsiona o crescimento sustentado dos cristais. Em conjunto, estes processos permitem uma extração estável e eficiente, mesmo em condições químicas difíceis.
Os autores referem que subsistem vários desafios antes de a tecnologia poder ser amplamente utilizada, incluindo a melhoria do fabrico de eléctrodos, a redução da sensibilidade às flutuações do pH e a prevenção do bloqueio dos locais activos durante o funcionamento a longo prazo. Destacam direcções futuras, como a conceção de materiais guiados por aprendizagem automática, estratégias avançadas de controlo de tensão, caraterização operando e engenharia de sistemas de fluxo modular para suportar aplicações em grande escala.
Esta investigação constitui um passo importante em direção a sistemas práticos de recuperação de urânio de elevado desempenho que podem funcionar em ambientes complexos do mundo real. Oferece também orientações valiosas para a conceção de materiais e processos electroquímicos da próxima geração para a remediação ambiental e a recuperação de recursos.
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