Effet de la structure des biopolymères sur la sorption de l'uranium par des hydrogels superabsorbants à base de CMC/gomme de guar

Pourquoi il est important d’assainir l’uranium

L'uranium est surtout connu comme combustible pour les centrales nucléaires, qui peuvent produire de grandes quantités d'électricité sans émissions de dioxyde de carbone. Mais lors de l'extraction et du traitement de l'uranium, une partie peut s'infiltrer dans les ressources en eau, exposant les personnes et les écosystèmes à des risques. L'étude présentée ici explore une nouvelle façon de piéger et de récupérer l'uranium dissous provenant d'eaux acides usées et de lixiviats de minerais en utilisant des « super‑éponges » molles d'origine végétale appelées hydrogels. Ces matériaux visent à rendre l'énergie nucléaire plus propre en capturant l'uranium utile avant qu'il ne devienne un déchet de longue durée.

Super‑éponges d'origine végétale

Les chercheurs ont synthétisé deux types d'hydrogels superabsorbants à partir de polymères naturels dérivés de plantes : la carboxyméthylcellulose (une forme modifiée de la cellulose issue des fibres végétales) et la gomme de guar (un épaississant utilisé en alimentation et cosmétique). Ils ont greffé chimiquement des blocs supplémentaires sur ces polymères pour créer des réseaux tridimensionnels capables de gonfler fortement en présence d'eau tout en offrant de nombreux sites chimiques pour les métaux dissous. Après formation des gels, ils les ont séchés et broyés en petites particules, nommées F‑CMC et F‑GG, puis ont caractérisé avec soin leur composition, structure, charge de surface, taille des pores et capacité de gonflement en fonction du pH.

Comment les gels capturent l'uranium

En milieu légèrement acide, l'uranium est présent principalement sous forme d'espèces uranyles chargées positivement. Les hydrogels présentent des groupes riches en oxygène et en azote capables de lier ces ions. Les expériences ont montré que F‑CMC et F‑GG absorbent l'uranium de façon optimale autour de pH 4, où il existe un compromis entre la solubilité de l'uranium et l'activation des groupes liants du gel. Les tests cinétiques ont révélé un processus en deux étapes : une première phase rapide où l'uranium se fixe sur des sites facilement accessibles, suivie d'une phase plus lente correspondant à son déplacement dans l'intérieur des particules de gel. Les ajustements mathématiques des données indiquent que le mécanisme est dominé par des réactions de surface et des liaisons chimiques, et non par une simple diffusion.

Quel gel fonctionne le mieux et pourquoi

Lorsque les deux sorbants ont été comparés, le gel à base de cellulose (F‑CMC) a systématiquement capturé plus d'uranium que le gel à base de guar (F‑GG). Dans des solutions tests propres, F‑CMC a retenu jusqu'à environ 269 milligrammes d'uranium par gramme de sorbant, tandis que F‑GG atteignait environ 169 milligrammes par gramme. La microscopie et les mesures de surface aident à expliquer cette différence. F‑CMC possède une structure interne avec des pores plus petits et de taille plus sélective et une plus forte densité de groupes carboxyles, qui constituent des sites de liaison puissants pour l'ion uranyle, dur et oxygénophyle. Après usage, sa surface devient rugueuse et couverte de dépôts granuleux d'uranium. F‑GG, en revanche, présente une architecture plus ouverte et spongieuse avec des pores plus larges ; après sorption, ces pores sont partiellement remplis et obstrués. Cela favorise une prise rapide et de bonnes performances dans des mélanges complexes, mais avec une capacité globale légèrement inférieure.

Eaux de mine réelles, réutilisation et aspects pratiques

Pour évaluer les performances en conditions réelles, l'équipe a utilisé un lixiviat acide provenant du minerai uranifère d'El‑Sella en Égypte, un liquide difficile chargé de nombreux métaux concurrents. Même dans cet environnement agressif, les deux hydrogels ont capturé préférentiellement l'uranium. F‑CMC a atteint la plus grande capacité, mais F‑GG a montré une meilleure sélectivité et une perte de performance moindre comparée à son comportement en solutions de laboratoire simples. Les gels peuvent aussi être régénérés : un lavage au bicarbonate doux ou à un acide dilué a permis d'éliminer la majeure partie de l'uranium absorbé, autorisant la réutilisation de chaque sorbant pendant au moins cinq cycles tout en conservant environ 80 % de son efficacité initiale. L'analyse thermodynamique a confirmé que la fixation de l'uranium est spontanée, exothermique, et en partie entraînée par une augmentation du désordre lorsque les molécules d'eau se réarrangent durant la sorption.

Ce que cela signifie pour une énergie nucléaire plus propre

En termes simples, ce travail montre que des hydrogels végétaux sur mesure peuvent servir de filtres réutilisables qui extraient l'uranium des effluents acides et des rejets miniers, le concentrant en vue d'un recyclage potentiel. Le gel à base de cellulose excelle par sa capture forte et à haute capacité, tandis que le gel à base de guar offre une bonne sélectivité dans des eaux chimiquement complexes. Ensemble, ils démontrent que des biopolymères peu coûteux et renouvelables peuvent être conçus comme des outils puissants pour dépolluer les sites liés au nucléaire et récupérer des ressources précieuses, contribuant ainsi à rapprocher l'énergie nucléaire d'un cycle de combustible véritablement durable et fermé.

Citation: 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

Mots-clés: récupération de l'uranium, hydrogels, purification de l'eau, biopolymères, déchets nucléaires