Einfluss der Biopolymerstruktur auf die Uranadsorption durch superabsorbierende Hydrogele auf Basis von CMC/Guarkernmehl

Warum die Reinigung von Uran wichtig ist

Uran ist vor allem als Brennstoff für Kernkraftwerke bekannt, die große Mengen Strom erzeugen können, ohne Kohlendioxid auszustoßen. Bei der Gewinnung und Verarbeitung von Uran können jedoch Mengen davon in Wasser gelangen und so Mensch und Umwelt gefährden. Die hier beschriebene Studie untersucht eine neue Methode, gelöstes Uran aus sauren Abwässern und Laugen von Erzen mit weichen, pflanzenbasierten „Super-Schwämmen“ — sogenannten Hydrogelen — zu binden und zurückzugewinnen. Diese Materialien zielen darauf ab, die Kernenergienutzung sauberer zu machen, indem wertvolles Uran abgefangen wird, bevor es zu langfristigem Abfall wird.

Pflanzenbasierte Super-Schwämme

Die Forschenden stellten zwei Arten superabsorbierender Hydrogele aus natürlichen, pflanzlichen Polymeren her: carboxymethylierte Cellulose (eine modifizierte Form von Cellulose aus Pflanzenfasern) und Guarkernmehl (ein Verdickungsmittel, das in Lebensmitteln und Kosmetika verwendet wird). Sie „verzweigten“ chemisch zusätzliche Bausteine an diese Polymere, um dreidimensionale Netzwerke zu erzeugen, die im Wasser stark anschwellen können und zahlreiche chemische Anker für gelöste Metalle bieten. Nach der Gelbildung trockneten und zerkleinerten sie die Gele zu kleinen Partikeln, die F‑CMC und F‑GG genannt wurden, und charakterisierten dann sorgfältig deren Zusammensetzung, Struktur, Oberflächenladung, Porengröße und Schwellvermögen in Wasser über einen Bereich von pH‑Werten.

Wie die Gele Uran greifen

In leicht saurem Wasser liegt Uran hauptsächlich als positiv geladenes Uranyl‑Arten vor. Die Hydrogele bieten sauerstoff‑ und stickstoffreiche Gruppen, die diese Ionen binden können. Experimente zeigten, dass sowohl F‑CMC als auch F‑GG Uran am besten bei etwa pH 4 aufnehmen, einem Punkt, an dem eine Balance zwischen im Wasser gelöstem Uran und aktivierten Bindungsgruppen im Gel besteht. Untersuchungen der Aufnahmerate ergaben einen zweistufigen Prozess: eine schnelle Anfangsphase, in der Uran an leicht zugängliche Stellen anhaftet, gefolgt von einer langsameren Bewegung ins Innere der Gelpartikel. Mathematische Anpassungen der Daten deuten darauf hin, dass der Prozess von Oberflächenreaktionen und chemischer Bindung dominiert wird und nicht nur durch einfache Diffusion erklärt werden kann.

Welches Gel ist wirksamer und warum

Beim Vergleich der beiden Sorbentien fing das cellulosebasierte Gel (F‑CMC) durchgängig mehr Uran als das guarbasisierte Gel (F‑GG). In reinen Testlösungen hielt F‑CMC bis zu etwa 269 Milligramm Uran pro Gramm Sorbens, während F‑GG bei rund 169 Milligramm pro Gramm lag. Mikroskopie und Oberflächenmessungen helfen, diesen Unterschied zu erklären. F‑CMC weist eine interne Struktur mit kleineren, selektiver dimensionierten Poren und eine höhere Dichte an Carboxylgruppen auf, die als starke Bindungsstellen für das harte, sauerstoffliebende Uranylion dienen. Nach der Nutzung wird seine Oberfläche rau und mit körnigen Uranablagerungen überzogen. F‑GG hingegen hat eine offenere, schwammartige Architektur mit größeren Poren; nach der Adsorption sind diese Poren teilweise gefüllt und verstopft. Das begünstigt eine schnelle Aufnahme und gute Leistung in komplexen Gemischen, führt jedoch zu einer etwas geringeren Gesamtkapazität.

Echtes Bergwerkswasser, Wiederverwendung und Praktikabilität

Um die Leistungsfähigkeit unter realen Bedingungen zu testen, verwendete das Team saure Lauge aus dem ägyptischen El‑Sella‑Uranerz, eine anspruchsvolle Flüssigkeit mit vielen konkurrierenden Metallen. Selbst in dieser harten Umgebung erfassten beide Hydrogele bevorzugt Uran. F‑CMC erreichte die höhere Kapazität, F‑GG zeigte jedoch eine bessere Selektivität und einen geringeren Leistungsverlust im Vergleich zu seinem Verhalten in einfachen Laborsystemen. Die Gele lassen sich zudem regenerieren: Eine Wäsche mit milder Bicarbonat‑ oder verdünnter Säure entfernte den größten Teil des adsorbierten Urans, sodass jedes Sorbens mindestens fünf Zyklen wiederverwendet werden konnte und dabei etwa 80 % seiner ursprünglichen Effizienz behielt. Thermodynamische Analysen bestätigten, dass die Uranbindung spontan verläuft, Wärme freisetzt und teilweise durch eine Zunahme der Unordnung getrieben wird, wenn sich Wassermoleküle während der Sorption neu anordnen.

Was das für sauberere Kernenergie bedeutet

Kurz gesagt zeigt diese Arbeit, dass maßgeschneiderte, pflanzenbasierte Hydrogele als wiederverwendbare Filter dienen können, die Uran aus sauren Abfällen und Bergwerksabwässern herausziehen und für eine mögliche Wiederverwertung konzentrieren. Das cellulosebasierte Gel überzeugt durch starke, kapazitätsstarke Aufnahme, während das guarbasisierte Gel eine robuste Selektivität in chemisch komplexen Wässern bietet. Zusammen demonstrieren sie, dass preiswerte, erneuerbare Biopolymere zu wirksamen Werkzeugen zur Beseitigung kernkraftbezogener Verschmutzung und zur Rückgewinnung wertvoller Ressourcen entwickelt werden können — ein Beitrag, der Kernenergie einem tatsächlich nachhaltigen, geschlossenen Brennstoffkreislauf näherbringt.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: Uranrückgewinnung, Hydrogels, Wasserreinigung, Biopolymere, nuklearer Abfall