Efecto de la estructura del biopolímero en la sorción de uranio por hidrogeles superabsorbentes a base de CMC/goma guar

Por qué importa limpiar el uranio

El uranio es más conocido como combustible para centrales nucleares, que pueden generar grandes cantidades de electricidad sin emitir dióxido de carbono. Pero cuando se extrae y procesa, parte del uranio puede contaminar suministros de agua, representando riesgos para las personas y los ecosistemas. El estudio que sustenta este artículo explora una forma nueva de atrapar y recuperar uranio disuelto de aguas residuales ácidas y lixiviados de mineral mediante “superesponjas” blandas de origen vegetal llamadas hidrogeles. Estos materiales pretenden hacer la energía nuclear más limpia al capturar uranio valioso antes de que se convierta en residuo a largo plazo.

Superesponjas de origen vegetal

Los investigadores construyeron dos tipos de hidrogeles superabsorbentes a partir de polímeros naturales derivados de plantas: carboximetilcelulosa (una forma modificada de celulosa procedente de fibras vegetales) y goma guar (un espesante usado en alimentos y cosmética). Quimicamente “injertaron” bloques adicionales en estos polímeros para crear redes tridimensionales que pueden hincharse de forma notable en agua a la vez que presentan numerosos anclajes químicos para metales disueltos. Tras formar los geles, los secaron y molieron hasta obtener pequeñas partículas, denominadas F‑CMC y F‑GG, y caracterizaron con detalle su composición, estructura, carga superficial, tamaño de poro y capacidad de hinchamiento en agua a lo largo de un rango de acidez.

Cómo los geles atrapan el uranio

En aguas ligeramente ácidas, el uranio está presente principalmente como especies uranilo con carga positiva. Los hidrogeles presentan grupos ricos en oxígeno y nitrógeno que pueden unirse a estos iones. Los experimentos mostraron que tanto F‑CMC como F‑GG absorben uranio de forma óptima alrededor de pH 4, donde existe un equilibrio entre que el uranio permanezca disuelto y la activación de los grupos fijadores del gel. Las pruebas de cinética revelaron un proceso en dos fases: una etapa rápida inicial en la que el uranio se adhiere a sitios fácilmente accesibles, seguida de un movimiento más lento hacia el interior de las partículas de gel. Los ajustes matemáticos a los datos indican que el proceso está dominado por reacciones superficiales y enlaces químicos, no solo por difusión simple.

Qué gel funciona mejor y por qué

Al comparar los dos sorbentes, el gel a base de celulosa (F‑CMC) capturó de forma constante más uranio que el gel a base de guar (F‑GG). En soluciones de prueba limpias, F‑CMC retuvo hasta aproximadamente 269 miligramos de uranio por gramo de sorbente, mientras que F‑GG alcanzó alrededor de 169 miligramos por gramo. La microscopía y las mediciones superficiales ayudan a explicar esta diferencia. F‑CMC presenta una estructura interna con poros más pequeños y de tamaño más selectivo y una mayor densidad de grupos carboxilo, que actúan como sitios de unión fuertes para el ion uranilo, duro y amante del oxígeno. Tras su uso, su superficie se vuelve rugosa y está recubierta por depósitos granulares de uranio. F‑GG, en contraste, tiene una arquitectura más abierta y esponjosa con poros mayores; después de la sorción, estos poros quedan parcialmente llenos y obstruidos. Esto favorece una captación rápida y buen rendimiento en mezclas complejas, aunque con una carga total ligeramente inferior.

Aguas reales de mina, reutilización y practicidad

Para evaluar el rendimiento en condiciones reales, el equipo utilizó lixiviado ácido del mineral de uranio El‑Sella en Egipto, un líquido desafiante cargado con numerosos metales competidores. Incluso en este entorno hostil, ambos hidrogeles capturaron preferentemente uranio. F‑CMC alcanzó la mayor capacidad, pero F‑GG mostró mejor selectividad y menor pérdida de rendimiento comparado con su comportamiento en soluciones de laboratorio simples. Los geles también pueden regenerarse: el lavado con bicarbonato suave o ácido diluido eliminó la mayor parte del uranio absorbido, permitiendo que cada sorbente se reutilizara al menos cinco ciclos manteniendo aproximadamente el 80% de su eficiencia original. El análisis termodinámico confirmó que la unión del uranio es espontánea, libera calor y está parcialmente impulsada por un aumento del desorden a medida que las moléculas de agua se reorganizan durante la sorción.

Qué significa esto para una energía nuclear más limpia

En pocas palabras, este trabajo muestra que los hidrogeles vegetales diseñados pueden actuar como filtros reutilizables que extraen el uranio de residuos ácidos y efluentes mineros, concentrándolo para su posible reciclado. El gel a base de celulosa destaca por su captura fuerte y de alta capacidad, mientras que el gel de guar ofrece una selectividad robusta en aguas químicamente complejas. En conjunto, demuestran que biopolímeros baratos y renovables pueden ser diseñados como herramientas eficaces para limpiar la contaminación relacionada con la energía nuclear y recuperar recursos valiosos, ayudando a que la energía nuclear avance hacia un ciclo de combustible realmente sostenible y cerrado.

Cita: 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

Palabras clave: recuperación de uranio, hidrogeles, purificación de agua, biopolímeros, residuos nucleares