השפעת מבנה הביופולימר על קליטת אורניום על ידי הידרוג'לים סופחים-יתר המבוססים על CMC/גואר גאם

מדוע ניקוי אורניום חשוב

אורניום ידוע בעיקר כדלק לכורים גרעיניים, שיכולים לייצר כמות גדולה של חשמל ללא פליטת פחמן דו‑חמצני. אך בעת כרייה ועיבוד של אורניום חלקו עלול לדלוף למקורות מים, ולסכן אנשים ומערכות אקולוגיות. המחקר שעומד מאחורי מאמר זה בוחן גישה חדשה ללכידת ושחזור אורניום מומס ממי שפכים חומציים וממלחי עפרות באמצעות "ספוגים-על" רכים ממקור צמחי, הידרוג'לים. חומרים אלה מיועדים להפוך את האנרגיה הגרעינית לנקייה יותר על ידי לכידת האורניום היקר לפני שיהפוך לפסולת ארוכת־טווח.

ספוגים-על ממקור צמחי

החוקרים בנו שני סוגי הידרוג'לים סופחים-יתר מפולימרים טבעיים שמקורם בצמחים: קרבוקסימתיל תאים (צורה ממותכת של תאית מסיבים צמחיים) וגואר גאם (מעבה המשמש במזון וקוסמטיקה). הם "השתילו" כימית יחידות בנייה נוספות על אותם פולימרים כדי ליצור רשתות תלת־ממדיות שיכולות להתנפח במים ולהציג רבים מהקישורים הכימיים ללכידת מתכות מומסות. לאחר היווצרות הג'לים ייבשו וטחנו אותם לחלקיקים קטנים, שכונו F‑CMC ו‑F‑GG, ואז אופיוני אותם בקפידה מבחינת הרכב, מבנה, מטען פני שטח, גודל נקבוביות ויכולת הנפחתם במים בטווחי חומציות שונים.

כיצד הג'לים לוכדים אורניום

במים קצת חמוצים האורניום קיים בעיקר כיצורי אוריל חיוביים (uranyl). ההידרוג'לים מציעים קבוצות עשירות בחמצן ובחנקן שיכולות לקשור את היונים הללו. ניסויים הראו ששני ה‑F‑CMC וה‑F‑GG סופחים אורניום בצורה הטובה ביותר סביב pH 4, שם מתקיים איזון בין שמירת האורניום מומס לבין הפעלת קבוצות הקשירה של הג'ל. מבחנים של קצב חדירת האורניום לג'לים חשפו תהליך בן שני שלבים: שלב מהיר ראשון שבו האורניום נצמד לאתרים הנגישים בקלות, ואחריו תנועה איטית יותר אל תוך פנים חלקיקי הג'ל. התאמות מתמטיות לנתונים מצביעות על כך שהתהליך נשלט על ידי תגובות מול פני השטח וקישורים כימיים, ולא רק על ידי דיפוזיה פשוטה.

איזה ג'ל עובד טוב יותר ולמה

בהשוואת שני הספחים נרשם כי הג'ל המבוסס על תאית (F‑CMC) לכד באופן עקבי יותר אורניום מאשר הג'ל המבוסס על גואר (F‑GG). בתמיסות בדיקה נקיות החזיק F‑CMC עד כ‑269 מיליגרם אורניום לגרם ספח, בעוד F‑GG הגיע לכ־169 מיליגרם לגרם. מיקרוסקופיה ומדידות פני שטח מסבירות הבדל זה. ל‑F‑CMC יש מבנה פנימי עם נקבוביות קטנות וממושכות יותר וצפיפות גבוהה יותר של קבוצות קרבוקסיל, הפועלות כאתרים קשירה חזקים ליון המצפה חמצן מסוג אוריל. לאחר השימוש פני השטח שלו נעשים מחוספסים ומכוסים בשקעים גרגריים של אורניום. לעומת זאת ל‑F‑GG יש ארכיטקטורה פתוחה וספוגית עם נקבוביות גדולות; לאחר הספיחה נקבוביות אלה מתמלאות ומחוסמות במידה כלשהי. זאת מעדיפה קליטה מהירה וביצועים טובים בתמיסות מורכבות, אך עם יכולת טעינה כוללת מעט נמוכה יותר.

מי המים מהמכרה, שימוש חוזר ומעשיות

כדי לבחון ביצועים בעולם האמיתי השתמש הצוות במליחה חומצית ממכרה האורניום אל‑סלה במצרים, נוזל מאתגר העמוס במתכות מתחרות רבות. גם בסביבה קשה זו שני ההידרוג'לים לכדו בעדיפות את האורניום. F‑CMC השיג קיבולת גבוהה יותר, אך F‑GG הראה סלקטיביות טובה יותר ואובדן ביצועים קטן יותר בהשוואה להתנהגותו בתמיסות מעבדה פשוטות. הג'לים גם ניתנים להתחדשות: שטיפה בביקרבונט עדין או בחומצה דילולית הסירה את רוב האורניום הספוח, מה שאפשר שימוש חוזר של כל ספח למשך לפחות חמשה מחזורים תוך שמירה על כ‑80% מהיעילות המקורית. ניתוח תרמודינמי אישר כי קשירת האורניום היא ספונטנית, משחררת חום ומונעת בחלקה על ידי עלייה בסדר הלא־מוסדר כאשר מולקולות מים מתארגנות מחדש במהלך הספיחה.

מה משמעות הדבר לאנרגיה גרעינית נקייה יותר

בקיצור, עבודה זו מראה כי הידרוג'לים ממוקדים ממקור צמחי יכולים לשמש כמסננים ניתנים לשימוש חוזר המחלצים אורניום ממי שפכים חומציים ונוזלי כרייה, מרוכזים לשחזור פוטנציאלי. הג'ל המבוסס תאית מצטיין בלכידה חזקה ובקיבולת גבוהה, בעוד הג'ל המבוסס גואר מציע סלקטיביות יציבה במים כימית־מורכבים. יחד הם מדגימים כי ביופולימרים זולים ומתחדשים ניתנים למהנדס ככלים רבי עוצמה לניקוי זיהום הקשור לגרעין ולשחזור משאבים יקרים, ובכך לסייע לדחיפת האנרגיה הגרעינית לעבר מעגל דלק בר־קיימא וסגור באמת.

ציטוט: 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

מילות מפתח: שחזור אורניום, הידרוג'לים, טיהור מים, ביופולימרים, פסולת גרעינית