Wpływ struktury biopolimeru na sorpcję uranu przez superabsorpcyjne hydrożele oparte na CMC/guarze

Dlaczego oczyszczanie uranu ma znaczenie

Uran jest najbardziej znany jako paliwo do elektrowni jądrowych, które mogą wytwarzać duże ilości energii bez emisji dwutlenku węgla. Jednak podczas wydobycia i przetwarzania uran może przedostawać się do zasobów wodnych, stwarzając zagrożenie dla ludzi i ekosystemów. Badanie opisane w tym artykule analizuje nowy sposób wyłapywania i odzyskiwania rozpuszczonego uranu z kwaśnych ścieków i ługów rud przy użyciu miękkich, roślinnych „supergąbek” zwanych hydrożelami. Materiały te mają na celu uczynienie energetyki jądrowej bardziej ekologiczną poprzez wychwycenie cennego uranu zanim stanie się on długotrwałym odpadem.

Roślinne supergąbki

Naukowcy opracowali dwa rodzaje superabsorpcyjnych hydrożeli z naturalnych polimerów pochodzenia roślinnego: karboksymetylocelulozy (zmodyfikowana forma celulozy z włókien roślinnych) oraz gumy guar (zagęszczacz używany w żywności i kosmetykach). Chemicznie „przyłączyli” dodatkowe jednostki do tych polimerów, tworząc trójwymiarowe sieci, które mogą silnie pęcznieć w wodzie, jednocześnie wystawiając wiele chemicznych punktów wiążących dla rozpuszczonych metali. Po uformowaniu żeli wysuszono je i zmielono na drobne cząstki, nazwane F‑CMC i F‑GG, a następnie szczegółowo scharakteryzowano ich skład, strukturę, ładunek powierzchniowy, wielkość porów oraz zdolność pęcznienia w wodzie w różnych warunkach kwasowości.

Jak żele wiążą uran

W lekko kwaśnej wodzie uran występuje głównie jako dodatnio naładowane formy uranylowe. Hydrożele zawierają grupy bogate w tlen i azot, które mogą wiązać te kationy. Eksperymenty wykazały, że zarówno F‑CMC, jak i F‑GG najlepiej adsorbują uran w okolicach pH 4, gdzie istnieje równowaga między utrzymaniem uranu w roztworze a aktywacją grup wiążących żelu. Badania szybkości przenikania uranu do żeli ujawniły proces dwustopniowy: szybki etap wstępny, gdy uran przyczepia się do łatwo dostępnych miejsc, po którym następuje wolniejsze wtórne przenikanie do wnętrza cząstek żelu. Dopasowania matematyczne do danych wskazują, że proces jest zdominowany przez reakcje powierzchniowe i wiązanie chemiczne, a nie tylko prostą dyfuzję.

Który żel działa lepiej i dlaczego

W porównaniu obu sorbentów żel na bazie celulozy (F‑CMC) konsekwentnie wyłapywał więcej uranu niż żel z guaru (F‑GG). W czystych roztworach testowych F‑CMC osiągał do około 269 miligramów uranu na gram sorbentu, podczas gdy F‑GG osiągał około 169 miligramów na gram. Mikroskopia i pomiary powierzchni pomagają wyjaśnić tę różnicę. F‑CMC ma wewnętrzną strukturę z mniejszymi, bardziej selektywnie dobranymi porami oraz wyższą gęstość grup karboksylowych, które działają jako silne miejsca wiążące dla „twardego”, tlenochłonnego jonu uranylowego. Po użyciu jego powierzchnia staje się chropowata i pokryta ziarnistymi osadami uranu. F‑GG natomiast ma bardziej otwartą, gąbczastą architekturę z większymi porami; po sorpcji pory te częściowo wypełniają się i zatykają. To sprzyja szybkiemu pobieraniu i dobrej pracy w złożonych mieszaninach, choć z nieco niższą ogólną pojemnością.

Prawdziwa woda z kopalni, ponowne użycie i praktyczność

Aby sprawdzić działanie w warunkach rzeczywistych, zespół użył kwaśnego ługu z egipskiej rudy uranu El‑Sella — wymagającego roztworu zawierającego wiele konkurujących metali. Nawet w tym trudnym środowisku oba hydrożele preferencyjnie wychwytywały uran. F‑CMC osiągnął wyższą pojemność, ale F‑GG wykazał lepszą selektywność i mniejsze pogorszenie wydajności w porównaniu z zachowaniem w prostych roztworach laboratoryjnych. Żele można także regenerować: płukanie łagodnym węglanem lub rozcieńczonym kwasem usunęło większość zaadsorbowanego uranu, co pozwoliło na wielokrotne użycie każdego sorbentu — co najmniej przez pięć cykli przy zachowaniu około 80% pierwotnej wydajności. Analiza termodynamiczna potwierdziła, że wiązanie uranu jest procesem spontanicznym, wydzielającym ciepło i częściowo napędzanym wzrostem nieuporządkowania w wyniku przearanżowania cząsteczek wody podczas sorpcji.

Co to oznacza dla czystszej energetyki jądrowej

Mówiąc w skrócie, praca ta pokazuje, że zaprojektowane hydrożele roślinne mogą działać jako wielokrotnego użytku filtry wyciągające uran z kwaśnych ścieków i wód kopalnianych, koncentrując go do ewentualnego odzysku. Żel na bazie celulozy wyróżnia się silnym, wysokopojemnościowym wychwytem, podczas gdy żel z guaru oferuje solidną selektywność w chemicznie złożonych wodach. Razem dowodzą, że tanie, odnawialne biopolimery można inżynieryjnie przekształcić w skuteczne narzędzia do oczyszczania zanieczyszczeń związanych z przemysłem jądrowym i odzyskiwania cennych surowców, co przybliża energetykę jądrową do naprawdę zrównoważonego, zamkniętego cyklu paliwowego.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: odzyskiwanie uranu, hydrożele, oczyszczanie wody, biopolimery, odpady jądrowe