第301期
2018/11/11海⽔取鈾⼩幫⼿ ⾦屬多酚細胞膜
林侑萱 報導 近年來⾯對全球暖化、嚴重空污等危機，相對於傳統發電乾淨許多的核能發電越 來越受到台灣⼈的重視，並因此引起熱議，包括是否重啟核四、擁核或廢核、到 最近的以核養綠公投提案，都顯⽰核能發電是在未來能源中⼀個相當重要的選 項。但為甚麼核能如此受到⼤家的關注呢？根據美國傳統基⾦會核能政策資深研究員Jack Spencer在《The Daily Caller》所 發表的文章，核能發電中核裂變能夠產⽣動能推動電機，相較於火⼒發電，過程 中無須燃燒，因此不會排放過多的溫室氣體，可以減緩全球暖化的速度，根據綠 ⾊和平、台灣⼤學公共衛⽣學院及中興⼤學⼯學院合作的報告指出，減少火⼒發 電也能降低廢氣排放產⽣的PM2.5空氣汙染，及其所造成的罹患肺癌、慢性阻塞 性肺病...等等的死亡⼈數。今年10⽉美國、澳洲、中國的9位學者在《Energy & Environmental Science》中發表了⼀篇能在海⽔中直接抽取鈾的材料技術，讓 核能發電在取得原料時，比起傳統取得鈾礦的⽅式對環境更友善。 研究團隊發現可以直接從海⽔中取鈾的材料。（圖片來源／pixabay）
從開採鈾礦到直接取鈾
國立交通大學機構典藏系統版權所有 Produced by IR@NCTU從開採鈾礦到直接取鈾
根據《科學⽉刊》的報導所述，核能發電的原料：鈾分為鈾-235和鈾-238，分別 在⾃然界中佔了0.3%和99.7%的比例，其中鈾-235才能在核能發電中產⽣反應， ⽽核能發電所需要的鈾-235濃度比例約為3～5%，但原料鈾礦中含有鈾-235的濃 度只有0.7%，遠遠不及所需濃度，為此需要去除鈾礦的雜質並加⼯、提煉來提⾼ 濃度，以變成核能發電的原料：氧化鈾。但根據世界能源資訊組織的報告，在採 鈾礦時⼯⼈和居⺠會受到鈾礦本⾝的外部輻射造成健康上的風險外，萃取的過程 中需要消耗⼤量的淡⽔且會產⽣⼤量廢棄物，因此萃取發電原料時也不環保。 鈾礦除了可以在地表取得之外，在海⽔當中其實含有將近40億噸的鈾離⼦，但從 海⽔中抽取鈾會因為鈾本⾝在海⽔中的密度不⾼、海⽔的⾼鹽度、海⽔中與鈾相 斥的離⼦……等等問題，讓這件事變得很困難。⽽發表於《Energy & Environmental Science》的酚細胞膜網絡研究，發現使⽤⼀種可以⾃⾏建構的 超酚⼦材料：⾦屬酚醛網路（以下簡稱為MPN），再加上多酚將MPN轉換成⾼ 密度的堅固多孔材料：⾦屬多酚細胞膜，使⽤⾦屬多酚細胞膜便可直接從海⽔中 萃取鈾離⼦，並加⼯成核能發電的原料。 因為多酚良好的膨脹度、化學穩定性，多酚微孔已經在⼯業細胞膜技術上廣泛地 被使⽤，⽽該研究也對多酚在實驗室環境內、模擬海⽔中、真實的海⽔中，其耐 久性、吸收能⼒進⾏了各種測試。研究團隊發現如果有四層細胞膜，吸取鈾的機 率將會⾼達90%，同時增加它本⾝的穩定性。他們先在實驗室內將細胞膜進⾏三 次、共六⼩時的吸附測試，⽽其原本的⾼彈性回覆率為97%，兩⼩時後彈性耗損 率僅⼩於10%，顯⽰它有好的耐久度。在吸收能⼒⽅⾯，他們發現海⽔中其他和 鈾相斥的離⼦，例如：鈣（Ca）、 鈉（Na）、 鎂（Mg）等等，對於⾦屬多酚 細胞膜吸收鈾離⼦的能⼒沒有太⼤的影響。研究⼈員接著在添加了許多⾦屬離⼦ 的模擬海⽔中，對⾦屬多酚細胞膜進⾏測試，發現它和鈾離⼦有最好的結合。 最後，研究團隊實際於中國東海進⾏海⽔測試後，發現細胞膜仍維持很⾼的鈾接 收量，於是把這項技術跟其他傳統技術以及⽤半波⻑電流代替電化學技術（half-wave rectified alternating current electrochemical method）做比較，結果發 現MPN這項技術擁有最好的吸收率。另外，儘管⻑時間在海⽔中抽取，MPN仍 維持⼀定的吸收率，總計9⼩時的實驗中，鈾吸收率只有輕微地下降，顯⽰⾦屬多 酚細胞膜的抽取鈾離⼦的效率在實際應⽤上依舊良好。實驗後來⼜持續測試了⼀ 個星期，並發現細胞膜本⾝沒有明顯的劣化或被⽣物污染，證實在⾼鹽度、且含 有豐富離⼦的海洋環境中，⾦屬多酚細胞膜仍保有很好的耐久度。 那要如何把細胞膜上⾯吸收到的鈾取出呢？該技術利⽤稀釋的酸讓多酚部分質⼦ 化，⼲擾鈾和多酚的複合作⽤，就是⽤酸把鈾離⼦和多酚分開之後，把所需要的 鈾離⼦抽出來，這讓被吸收的鈾離⼦有97%可以被釋出同時不會傷害到細胞膜本 ⾝。從這個結果可以得知，細胞膜上的微孔在進⾏了較⻑的實驗後依舊能被保 留，並重複使⽤。 國立交通大學機構典藏系統版權所有 Produced by IR@NCTU從⾦屬多酚細胞膜抽取出鈾的⽰意圖。（圖片來源／林侑萱重製）資料來 源：《Energy & Environmental Science》
⾦屬多酚細胞膜可利⽤於現有的系統和海⽔淡化系統中，且這項技術不會影響到 海⽔過濾程序，也不會造成任何汙染或是⼲擾到現有海⽔過濾程序的狀況，並能 有效吸收海⽔中的鈾。雖然這項技術在未來需要更多的海洋測試及成本分析，但 研究團隊推論如果未來這項技術被實際應⽤，將可擴⼤抽取鈾的規模並降低取得 鈾的成本，減少核能發電所需的花費。
更乾淨便宜的核能 未來能源正解？
但，這項技術未來被應⽤到核能發電後，即使能讓核能變得更便宜與環保，我們 依舊需要考量核能發電可能造成的危險。例如著名的⾞諾比核災和2011年發⽣的 ⽇本福島核災，這些核災提醒了世⼈核能發電並不是絕對安全的選項。另外核災 也會因為天氣的不同，影響到不同的地區、⼟壤和⽔源，在中興⼤學環⼯系教授 莊秉潔的核災模擬研究中便顯⽰，如果核四發⽣核災，因為位置和東北季風吹拂 的關係，對全台的影響比起其他核電廠更⼤。⽽若核四發⽣像福島等級的核災， 全台將會有11%的地區需要永久隔離，不再適合⼈類居住。另外，核廢料的存放 問題也需要⼤家謹慎考慮。 每種發電⽅式有好有壞，我們必須好好比較每種發電⽅式的優缺點，並在滿⾜⽇ 常⽤電需求的同時，盡可能地減少對環境衝擊和汙染。但除了探討能源相關議題 外，或許我們也可以反省⾃⼰，想想該怎麼在⽇常⽣活中節省能源，不隨意浪費 並減少⽤電量，讓我們不⽤再新建發電廠，並在節能的同時減緩全球暖化的速 度，讓整個環境可以喘⼝氣。 縮圖來源：pixabay 國立交通大學機構典藏系統版權所有 Produced by IR@NCTU記者 林侑萱
編輯 黃胤綸
