Uranium extraction has been widely studied for (i) the uranium recovery for nuclear fuel resource and nuclear waste management; and (ii) the uranium deficiency in geological deposits. Sorption is one of the most promising technologies for extracting uranium. To investigate effective sorption material, the ordered mesoporous carbon (CMK-3) was functionalized with phosphate ligands and amidoxime ligands. The phosphorylated CMK-3 and amidoximed CMK-3 were applied for sorption of U(VI) under highly acidic condition and seawater condition, respectively. Under highly acidic condition (1-2 M $HNO_3$), CMK-3-Bz-$PO_4$ exhibited the highest U(VI) sorption (10.6 mg/g) due to the electron donating effect of the benzene ring providing more negative charge toward phosphoryl oxygen which is the binding site for U(VI). On the other hand, in pH 1-4 range, CMK-3-Et-PO4 and CMK-3-Py-$PO_4$ had a conspicuous increase in sorption performance due to the electron withdrawing effects of ethyl amide and pyridine when enhancing the acidities of functional groups. CMK-3-An-AO exhibited a maximum U(VI) sorption capacity under seawater condition (170 $\mu$g/g) because the amine group onto An-AO improved the overall complexation between amidoxime and U(VI). Electron withdrawing effect of the amine group lowered the charge on U(VI) in the complex through hydrogen bonding with the water molecules surrounding U(VI). According to the findings of this work, the results provide a promising platform for the development of functionalized carbon sorbents for U(VI) extraction from spent nuclear fuels or seawater.
우라늄은 핵연료의 대표적 원료로써 이용되는 물질로, 천연자원(광물, 해수)과 사용후핵연료에서의 추출이 널리 연구되어 왔다. 특히 고체상 화합물을 통한 우라늄 흡착은 재처리공정이나 해수 환경에서 유망한 우라늄 추출 기술 중 하나로 평가받고 있다. 따라서 본 연구에서는 우라늄의 효과적 흡착이 가능한 물질 개발을 목표로, 메조 다공성 탄소 분자체(CMK-3)를 다양한 리간드 (인산 및 아미독심 계열)로 기능화하여 흡착성능을 평가하는 연구를 수행하였다. 기능화된 CMK-3는 두 가지 환경(강산 환경, 해수 환경)에서 우라닐 이온 흡착 실험에 적용되었다. 실험 결과로, 강산성 조건(1-2 M $HNO_3$)에서는 CMK-3-Bz-$PO_4$가 우라닐 이온에 대해 가장 높은 흡착능 (10.6 mg/g)을 가진 것으로 나타났다. 이는 벤젠 고리의 전자 공여 작용으로 인해 우라닐 이온에 대한 결합 부위가 더욱 음의 전하를 띄게 됨으로써 나타나는 결과라 판단된다. 반면, pH 1-4 범위에서는 에틸 아미드와 피리딘의 전자 끄는 작용으로 작용기들의 산도를 높이는 영향으로 인해 CMK-3-Et-$PO_4$와 CMK-3-Py-$PO_4$의 흡착능이 매우 증가하였다. 또한 해수 조건에서 실험된 CMK-3-An-AO는 전체적인 작용기-우라닐 결합을 안정화하는 아민 그룹의 영향으로 가장 높은 우라닐 흡착능(170 $\mu$g/g)을 보였다. 본 연구의 체계적으로 변형 된 CMK-3의 흡착 결과는 우라닐 이온과 기타 금속 이온의 추출 산업적 적용 있어, 흡착제 선택 및 설계에 대한 실험적인 증거를 제공할 수 있을 것이다.
