تأثير بنية البيوبوليمر على امتزاز اليورانيوم بواسطة هلاميات فائقة الامتصاص تعتمد على CMC/صمغ الجوار

لماذا يعد تنظيف اليورانيوم مهمًا

يشتهر اليورانيوم كوقود لمحطات الطاقة النووية، التي يمكنها توليد كميات كبيرة من الكهرباء دون إطلاق ثاني أكسيد الكربون. لكن عند تعدين ومعالجة اليورانيوم، قد يتسرب جزء منه إلى مصادر المياه، مما يشكل مخاطر على البشر والأنظمة البيئية. تستكشف الدراسة التي تقف وراء هذا المقال طريقة جديدة لحجز واسترداد اليورانيوم المذاب من المياه الحمضية ومحاليل استخلاص الخامات باستخدام «إسفنجات» ناعمة نباتية المصدر تُسمى هلاميات مائية فائقة الامتصاص. تهدف هذه المواد إلى جعل الطاقة النووية أنظف عبر التقاط اليورانيوم القيم قبل أن يتحول إلى نفاية طويلة الأمد.

إسفنجات فائقة من مصادر نباتية

بنى الباحثون نوعين من الهلاميات فائقة الامتصاص من بوليمرات طبيعية مشتقة من النباتات: سيليلوز معدل يُعرف بكاربوكسي ميثيل السليلوز (CMC) وصمغ الجوار (مكثف شائع الاستخدام في الأغذية ومستحضرات التجميل). قاموا بتطعيم هذه البوليمرات كيميائيًا ببنى إضافية لتكوين شبكات ثلاثية الأبعاد يمكنها الانتفاخ بشكل كبير في الماء مع توفير العديد من مواقع الربط الكيميائية للأيونات المذابة. بعد تشكيل الهلام، جَفّفوا وطحنوه إلى جزيئات صغيرة سمّوها F‑CMC وF‑GG، ثم قيَّموا بعناية تركيبتها وبنيتها وشحنتها السطحية وحجم مسامها وقدرتها على الانتفاخ في نطاقات حموضة مختلفة.

كيف تمسك الهلاميات باليورانيوم

في المياه ذات الحموضة الطفيفة، يكون اليورانيوم موجودًا أساسًا على شكل أنواع اليورانيل الموجبة الشحنة. توفر الهلاميات مجموعات غنية بالأكسجين والنيتروجين يمكنها ربط هذه الأيونات. أظهرت التجارب أن كلًا من F‑CMC وF‑GG تمتصان اليورانيوم بأفضل شكل عند حوالي الرقم الهيدروجيني 4، حيث يتحقق توازن بين بقاء اليورانيوم مذابًا وتفعيل مجموعات الربط في الهلام. كشفت اختبارات سرعة انتقال اليورانيوم إلى الهلاميات عن عملية ذات مرحلتين: مرحلة سريعة أولى يلتصق فيها اليورانيوم بالمواقع السطحية سهلة الوصول، تليها حركة أبطأ نحو داخل جسيمات الهلام. تشير المطابقات الرياضية للبيانات إلى أن العملية يهيمن عليها تفاعلات سطحية وربط كيميائي، وليست مجرد انتشار بسيط.

أي هلام يعمل أفضل ولماذا

عند مقارنة الماصين، ثبت أن الهلام المعتمد على السليلوز (F‑CMC) يلتقط المزيد من اليورانيوم بشكل ثابت مقارنةً بالهلام المعتمد على الجوار (F‑GG). في المحاليل النظيفة الاختبارية، احتوى F‑CMC على ما يصل إلى حوالي 269 ملليغرام من اليورانيوم لكل غرام من الماص، بينما بلغ F‑GG نحو 169 ملليغرامًا لكل غرام. تساعد الميكروسكوبية وقياسات السطح في تفسير هذا الاختلاف. يمتلك F‑CMC بنية داخلية ذات مسام أصغر أحجامًا وأكثر انتقائية وكثافة أعلى من مجموعات الكاربوكسيل، التي تعمل كمواقع ربط قوية لأيون اليورانيل المحب للأكسجين. بعد الاستخدام يصبح سطحه خشناً ومغطىً بطبقات حبيبية من ترسبات اليورانيوم. بالمقابل، يتميز F‑GG بهيكل إسفنجي أكثر انفتاحًا ذو مسام أكبر؛ بعد الامتزاز تمتلئ هذه المسام جزئيًا وتُسد. هذا يفضّل الامتزاز السريع والأداء الجيد في الخلائط المعقدة، مع تحميل إجمالي أقل قليلًا.

مياه المناجم الحقيقية وإعادة الاستخدام والجدوى العملية

لاختبار الأداء في العالم الواقعي، استخدم الفريق مسلوقًا حمضيًا من خام اليورانيوم في مصر (El‑Sella)، وهو سائل صعب محمّل بالعديد من المعادن المتنافسة. حتى في هذا الوسط القاسي، اختصت كلتا الهلاميتين بالتقاط اليورانيوم. حقق F‑CMC السعة الأعلى، لكن F‑GG أظهر انتقائية أفضل وخسارة أداء أصغر مقارنةً بسلوكه في المحاليل المخبرية البسيطة. يمكن أيضًا تجديد هذه الهلاميات: إزالة معظم اليورانيوم الممتص تم بغسلها بمحلول بيكربونات خفيف أو حمض مخفف، مما سمح بإعادة استخدام كل ماص لأكثر من خمسة دورات مع احتفاظه بما يقارب 80% من كفاءته الأصلية. أكدت التحليلات الثرموديناميكية أن ارتباط اليورانيوم تلقائي، ويطلق حرارة، ويدفعه جزئيًا ازدياد العشوائية نتيجة إعادة ترتيب جزيئات الماء أثناء الامتزاز.

ماذا يعني هذا لطاقة نووية أنظف

ببساطة، تُظهر هذه الدراسة أن الهلاميات النباتية المصممة يمكن أن تعمل كمرشحات قابلة لإعادة الاستخدام تسحب اليورانيوم من النفايات الحمضية ومصرفات المناجم، مركّزةً إياه لإمكانية إعادة التدوير. يتفوّق الهلام المعتمد على السليلوز في الامتزاز القوي وعالي السعة، بينما يقدم هلام الجوار انتقائية متينة في المياه الكيميائية المعقدة. معًا، تُبرِز هذه المواد أنه يمكن هندسة بيوبوليمرات متجددة وغير مكلفة لتصبح أدوات فعالة لتنظيف التلوث المرتبط بالنووي واسترداد موارد قيمة، مما يساعد على تقريب الطاقة النووية من دورة وقود مغلقة ومستدامة فعليًا.

الاستشهاد: Elsaeed, S.M., Zaki, E.G., El-Tantawy, I.E. et al. Effect of biopolymer structure on uranium sorption by superabsorbent hydrogels based on CMC/guar gum. Sci Rep 16, 12893 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46963-3

الكلمات المفتاحية: استرداد اليورانيوم, الهلاميات المائية, تنقية المياه, البيوبوليمرات, النفايات النووية