CMC/グアーガムを基にした超吸水性ハイドロゲルによるウラン吸着に対するバイオポリマー構造の影響

ウラン除去が重要な理由

ウランは原子力発電所の燃料としてよく知られており、二酸化炭素を排出せずに大量の電力を生み出せます。しかし、採掘や加工の過程でウランが水系に漏出すると、人や生態系に危険をもたらします。本稿の基となる研究は、酸性廃水や鉱石浸出液中の溶存ウランを、植物由来の柔らかい「超吸水スポンジ」――ハイドロゲルを用いて捕捉・回収する新たな手法を探っています。これらの材料は、ウランが長期廃棄物になる前に有価なウランを捕らえることで、原子力エネルギーをよりクリーンにすることを目指しています。

植物由来の超吸水スポンジ

研究者らは、植物由来の天然ポリマーから二種類の超吸水ハイドロゲルを作製しました。ひとつはカルボキシメチルセルロース（植物繊維由来の修飾セルロース）、もうひとつはグアーガム（食品や化粧品の増粘剤）です。これらのポリマーに化学的に付加ブロックを「グラフト」して、三次元ネットワークを形成させ、水中で大きく膨潤すると同時に多くの金属結合部位を提示するようにしました。ゲルを成形した後、乾燥・粉砕して小粒子にし、F‑CMCとF‑GGと名付け、それぞれの組成、構造、表面電荷、孔径、pHに応じた膨潤能などを詳細に特性評価しました。

ゲルがウランを捉える仕組み

やや酸性の水中では、ウランは主に正に帯電したウラニル種として存在します。ハイドロゲルは酸素や窒素に富む官能基を示し、これらがウラニルイオンと結合します。実験では、F‑CMCとF‑GGの両方がpH約4付近で最もウランを吸着することが示されました。ここではウランが溶存したままであり、かつゲルの結合基が活性化されるバランスが取れているためです。ウランのゲル内への移動速度を調べると、アクセスしやすい部位への急速な初期吸着と、粒子内部への遅い浸透という二段階の過程が見られました。データに対する数理的フィッティングは、この過程が単純な拡散だけでなく、表面反応や化学結合によって支配されていることを示唆しています。

どちらのゲルが優れているか、その理由

二つの吸着剤を比較すると、セルロース系ゲル（F‑CMC）は一貫してグアー系ゲル（F‑GG）より多くのウランを捕捉しました。純水溶液での試験では、F‑CMCは吸着剤1グラム当たり約269ミリグラムのウランを保持したのに対し、F‑GGは約169ミリグラムに達しました。電子顕微鏡観察や表面測定はこの差を説明します。F‑CMCはより小さく選択的な孔を持つ内部構造と、ウラニルイオンという「硬い」酸素愛好性イオンに対する強力な結合部位として働くカルボキシル基の高密度を備えています。使用後は表面が粗くなりウランの粒状沈着物で被覆されます。これに対しF‑GGは、より開放的でスポンジ状のアーキテクチャを持ち、孔が大きく、吸着後にこれらの孔が部分的に充填・閉塞します。これは複雑な混合物中での迅速な取り込みと優れた性能を助けますが、総負荷量はやや低くなります。

実鉱山水、再利用性、実用性

実環境での性能を評価するため、研究チームはエジプトのEl‑Sellaウラン鉱石からの酸性浸出液を用いました。この浸出液は多くの競合金属を含む厳しい試料です。それでも両ハイドロゲルはウランを優先的に捕獲しました。F‑CMCはより高い容量を達成しましたが、F‑GGは単純な実験溶液と比較して選択性が良く、性能低下も小さかった。ゲルは再生可能であり、弱い炭酸水素塩溶液や希酸で洗浄することで吸着したウランの大部分が除去でき、各吸着剤は少なくとも5サイクルの再利用で元の効率の約80%を保ちました。熱力学解析は、ウランの結合が自発的で発熱的であり、吸着中に水分子の再配列によって無秩序の増大が一部駆動力になっていることを確認しました。

よりクリーンな原子力のための意義

要するに、本研究は、設計された植物由来ハイドロゲルが酸性廃液や鉱山排水からウランを取り出し、回収のために濃縮する再使用可能なフィルターとして機能し得ることを示しています。セルロース系ゲルは強力で高容量の捕捉に優れ、グアー系ゲルは化学的に複雑な水中での優れた選択性を提供します。これらを併せることで、安価で再生可能なバイオポリマーを強力な汚染除去・資源回収ツールとして工学的に活用でき、原子力が真に持続可能な閉ループ燃料サイクルへ近づくことに貢献します。

引用: 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

キーワード: ウラン回収, ハイドロゲル, 水浄化, バイオポリマー, 核廃棄物