Un matériau à base de biochar offre une voie prometteuse pour la récupération de l’uranium de l’eau de mer

Des chercheurs ont développé un nouveau composite à base de biochar capable de capturer l’uranium de l’eau tout en convertissant une partie de celui-ci en une forme chimique moins toxique, offrant une stratégie potentielle pour récupérer l’uranium de l’eau de mer et soutenir les futures ressources énergétiques nucléaires.

L’uranium est un combustible clé pour l’énergie nucléaire, mais les réserves terrestres d’uranium sont inégalement réparties et limitées. L’eau de mer contient une quantité énorme d’uranium dissous, estimée à environ 1 000 fois supérieure aux réserves trouvées dans les minerais terrestres. Cependant, l’extraction de l’uranium de l’eau de mer reste difficile car l’uranium est présent à de très faibles concentrations et doit être séparé sélectivement de nombreux ions concurrents.

Dans une nouvelle étude publiée dans Biochar, des chercheurs rapportent la conception d’un nouveau matériau appelé BN-PDA@Fe3S4. Ce matériau combine des nanosphères de biochar, un revêtement de polydopamine et du sulfure de fer Fe3S4. Ensemble, ces composants créent un adsorbant hybride capable de lier efficacement l’uranium et de favoriser sa réduction chimique.

« L’extraction de l’uranium de l’eau de mer est un défi de longue date car le matériau doit être efficace, sélectif, stable et pratique pour la récupération », a déclaré l’auteur correspondant Si Luo. « Notre étude montre qu’une plateforme de nanosphères de biochar décorée de Fe3S4 peut non seulement adsorber l’U(VI), mais aussi aider à convertir une partie de celui-ci en U(IV) moins toxique, ce qui est important à la fois pour la récupération des ressources et la sécurité environnementale ».

L’équipe a synthétisé le composite par une méthode en deux étapes. D’abord, des nanosphères de biochar ont été fonctionnalisées avec de la polydopamine, un matériau inspiré de la moule riche en groupes actifs pouvant interagir avec les ions métalliques. Ensuite, Fe3S4 a été cultivé sur la surface pour introduire des sites de fer et de soufre ayant une forte affinité pour l’uranium.

Les tests en laboratoire ont montré que le composite atteignait une capacité d’adsorption maximale de U(VI) de 203,4 mg g⁻¹ à pH 5 et 298 K. Le processus d’adsorption suivait le modèle d’isotherme de Langmuir et le modèle cinétique de pseudo-second ordre, indiquant un processus de chimisorption en monocouche. L’analyse thermodynamique a en outre montré que l’adsorption était spontanée et endothermique.

Le matériau a également bien fonctionné dans des conditions plus complexes. Des tests avec des ions coexistants ont suggéré que BN-PDA@Fe3S4 maintenait une forte capacité d’élimination de l’uranium en présence de plusieurs ions courants, bien que le carbonate et le sulfate aient réduit les performances en formant des complexes d’uranium stables en solution. Dans des expériences en eau de mer naturelle, le composite a atteint une capacité d’extraction d’uranium de 4,5 mg g⁻¹ après 15 jours.

Une découverte clé de l’étude est le mécanisme dual d’adsorption et de réduction. Des analyses spectroscopiques ont montré que l’uranium était immobilisé avec succès sur la surface du composite. La spectroscopie photoélectronique à rayons X a révélé qu’une partie de l’U(VI) capturé était convertie en U(IV). Les chercheurs ont attribué cette réduction aux espèces Fe(II) et S(-II) dans Fe3S4, tandis que les groupes amino de la couche de polydopamine contribuaient également à la liaison de l’uranium. Des calculs de théorie fonctionnelle de la densité ont soutenu la forte interaction entre les espèces d’uranium et la surface de Fe3S4.

Le composite a également montré une séparabilité magnétique, ce qui pourrait simplifier la récupération après utilisation, et une activité antibactérienne contre S. aureus et E. coli, suggérant une résistance potentielle au biofouling en environnement marin.

Bien qu’une optimisation supplémentaire soit nécessaire pour améliorer la stabilité cyclique à long terme, l’étude présente une plateforme prometteuse à base de biochar pour la récupération de l’uranium de l’eau de mer. En combinant adsorption, réduction, récupération magnétique et résistance au biofouling, BN-PDA@Fe3S4 pourrait fournir une orientation utile pour les futurs matériaux conçus pour la récupération durable de combustible nucléaire et le contrôle de la pollution par les radionucléides.

Article : Synergistic adsorptive reduction for enhanced U(VI) recovery from seawater via Fe3S4-decorated biochar nanosphere hybrids – Journal : Biochar – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude