[미국] 바다에서 우라늄을 캐내기 위한 새우껍질
식품 산업에서 버려지는 새우 껍질이 물으로부터 귀중한 금속을 수확할 수 있는 강한 섬유로 바뀌었다.
미국 앨라배마대(University of Alabama)의 Robin Rogers와 그의 팀은 오랫동안 섬유소를 처리하기 위해서 이온성 액체를 사용하는데 관심을 가져왔지만, 2010년에 있었던 Deepwater Horizon 기름 유출로 인해서 다양한 갑각류의 껍질을 구성하는 구조적 생물중합체인 키틴(chitin)과 비슷한 것을 시도하도록 고무되었다. "우리는 바이유라바트레(Bayou La Batre)에 있는 걸프만 농업 및 해산물 조합(Gulf Coast Agricultural and Seafood Co-Op)과 함께 일하기 시작했고, 새우잡이가 활동중단된 때쯤에, 그들의 새우 껍질 쓰레기를 위한 사용처를 찾아나섰다. 새 제품과 이익이 명백히 필요했다"고 그는 말했다.
Rogers의 팀은 이온성 액체를 이용해서 새우 껍질로부터 직접 긴 키틴 섬유를 추출해냈다. 키틴은 물을 포함해서, 대부분의 용매들에 불용성인데, 이는 키틴 섬유의 내구성을 저하시키지 않으면서 그 섬유들의 표면만 기능화시킬 수 있게 해준다. 그들은 이 표면 키틴 분자들을 키토산(chitosan)이라고 불리는 더 활성이 큰 형태로 변환시키고 그 다음에 그것을 우라닐 이온에 매우 큰 친화성을 가지는 기능기인 아미독심(amidoxime)으로 기능화시켰고, 그 섬유가 희석된 수용액에서 이 이온들을 복구시킬 수 있다는 것을 보였다.
바닷물에서 거의 모든 우라늄은 그 기원이 자연적이어서 지구 껍질에 녹아있는 우라늄으로부터 나온다. "단순히 바다로부터 우라늄을 복구함으로써, 땅에서 우라늄을 캐낼 필요를 줄이거나 없애는 것의 긍정적인 환경적 잠재성을 상상해보라"고 Rogers는 말했다.
영국에 있는 에딘버러대(University of Edinburgh)의 추출 야금학의 전문가인 Jason Love는 바닷물에 ppb 농도로 존재하는 우라늄을 복구하는 것은 이 귀중한 원소를 캐내는데 대한 귀중한 대안이 될 것이라고 말했다. "불안정한 성질 때문에 아직 상용화되지는 않았지만, 이들 물질들의 개발은 독창적이고 중요한 지구적 도전과제를 푸는 것을 돕기 위해서 지속가능한 화학적 방법을 사용하는데 큰 발전을 보여준다"고 그는 덧붙였다.
이상적으로 이 섬유들은 재활용되어 바다에서 다시 사용될 수 있을 것이다. 또 다른 가능성은 그것들을 소각해서 에너지를 생성하고 그 금속을 재로 남기는 것인데, 이는 복구 과정을 간단히 함으로써 돈과 에너지를 절약하는 아이디어이다.
멕시코에 있는 식품 연구 및 개발 센터(Center for Food Research and Development)에서 그의 연구에 키틴을 사용하고 있는, Jaime Lizardi Mendoza는 이번 연구가 생태학적으로 적합한 물질들의 사용가능성을 높여줄 것이라고 말했다. "키틴은 가장 놀라운 물질들 중 많은 것들을 만들기 위해서 자연이 선택한 필수적인 화합물이다; 구조들을 위해 충분히 가볍고, 가장 강한 무기의 일부가 될만큼 충분히 강하고, 에너지 방출 기전의 일부가 될만큼 충분히 유연하며, 또한 생체적합적이고 생물분해가능하다. 우리는 환경을 존중하면서 우리의 필요를 채우는 것을 돕는 혁신적인 물질들을 만들기 위해서 키틴과 같은, 생물학적 중합체들을 사용하는 방법들을 계속해서 배우고 있다"고 그는 말했다.
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Shrimp shells to mine uranium from the ocean
Shrimp shells that would otherwise be thrown away by the seafood industry have been turned into tough fibres that can harvest valuable metals from water.
Robin Rogers, and his team at the University of Alabama in the US, had long been interested in using ionic liquids to process cellulose but the Deepwater Horizon oil spill in 2010 encouraged them to try something similar with chitin, the structural biopolymer that makes up the shells of various crustaceans. ‘We started working with the Gulf Coast Agricultural and Seafood Co-Op in Bayou La Batre, looking at uses for their shrimp shell waste, about the same time as the moratoriums on shrimping. It was quite clear that new products and profits were needed.’
Rogers’ team used ionic liquids to extract long chitin fibres directly from shrimp shells. Chitin is insoluble in most solvents, including water, which allows for the functionalisation of just the surface of the fibres without degrading the bulk strength of the chitin fibre. They converted the surface chitin molecules to a more active form called chitosan and then functionalised it with amidoxime, a functional group with a very high affinity for uranyl ions, and showed the fibre would recover these ions from a dilute aqueous solution.
Nearly all of the uranium in seawater is natural in origin, coming from soluble uranium in the earth’s crust. ‘Imagine the positive environmental potential of reducing or eliminating the need to mine uranium on land, simply by recovering it from the ocean,’ Rogers says.
Jason Love, an extractive metallurgy expert at the University of Edinburgh, in the UK, says the recovery of uranium from seawater, in which it is present in ppb concentrations, would be a valuable alternative to mining for this critical element. ‘While not yet commercialisable due to their brittle nature, the development of these materials is ingenious and represents a significant advance in the use of sustainable chemistry methods to help solve an important global challenge,’ he adds.
Ideally the fibres could be recycled and re-used in the ocean. Another possibility would be to incinerate them to generate energy and leave the metals behind as ash, an idea that could save money and energy by simplifying the recovery process.
Jaime Lizardi Mendoza, who uses chitin in his research at the Center for Food Research and Development in Mexico, says the study will increase the availability of ecologically compatible materials. ‘Chitin is the essential compound that nature has chosen to make many of the most remarkable materials; it is light enough for flying structures, strong enough to be part of the toughest armours, flexible enough to be part of energy release mechanisms, it is also biocompatible and biodegradable. We continue to learn how to use biological polymers, like chitin, to produce innovative materials that help to fulfil our needs whilst respecting the environment.
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