Efeito da estrutura do biopolímero na sorção de urânio por hidrogéis superabsorventes à base de CMC/goma de guar

Por que limpar o urânio é importante

O urânio é mais conhecido como combustível para usinas nucleares, que podem gerar grandes quantidades de eletricidade sem emitir dióxido de carbono. Mas, quando o urânio é minerado e processado, parte dele pode vazar para os abastecimentos de água, representando riscos para pessoas e ecossistemas. O estudo por trás deste artigo explora uma nova maneira de aprisionar e recuperar urânio dissolvido de águas residuais ácidas e lixiviados de minério usando “superesponjas” macias de origem vegetal chamadas hidrogéis. Esses materiais visam tornar a energia nuclear mais limpa ao capturar urânio valioso antes que ele se torne lixo de longo prazo.

Superesponjas de origem vegetal

Os pesquisadores construíram dois tipos de hidrogéis superabsorventes a partir de polímeros naturais derivados de plantas: carboximetilcelulose (uma forma modificada de celulose obtida de fibras vegetais) e goma de guar (um espessante usado em alimentos e cosméticos). Eles “graftaram” quimicamente blocos adicionais nesses polímeros para criar redes tridimensionais que podem inchar dramaticamente em água enquanto apresentam muitos ganchos químicos para metais dissolvidos. Após formar os géis, secaram-nos e os moeram em pequenas partículas, chamadas F‑CMC e F‑GG, e então caracterizaram cuidadosamente sua composição, estrutura, carga superficial, tamanho de poro e capacidade de inchaço em água através de uma faixa de acidez.

Como os géis capturam o urânio

Em água levemente ácida, o urânio está presente principalmente como espécies uranila carregadas positivamente. Os hidrogéis apresentam grupos ricos em oxigênio e nitrogênio que podem se ligar a esses íons. Experimentos mostraram que tanto F‑CMC quanto F‑GG absorvem urânio de forma ideal por volta de pH 4, onde há um equilíbrio entre o urânio permanecer dissolvido e os grupos ligantes do gel estarem ativados. Testes de quão rápido o urânio penetra nos géis revelaram um processo em duas etapas: uma etapa inicial rápida em que o urânio adere a sítios facilmente acessíveis, seguida por um movimento mais lento para o interior das partículas do gel. Ajustes matemáticos aos dados indicam que o processo é dominado por reações de superfície e ligações químicas, não apenas por difusão simples.

Qual gel funciona melhor e por quê

Ao comparar os dois sorventes, o gel à base de celulose (F‑CMC) capturou consistentemente mais urânio do que o gel à base de guar (F‑GG). Em soluções de teste limpas, o F‑CMC reteve até cerca de 269 miligramas de urânio por grama de sorvente, enquanto o F‑GG alcançou cerca de 169 miligramas por grama. Microscopia e medições de superfície ajudam a explicar essa diferença. O F‑CMC tem uma estrutura interna com poros menores e de tamanho mais seletivo e uma maior densidade de grupos carboxila, que atuam como sítios de ligação fortes para o íon uranila, que é duro e ama oxigênio. Após o uso, sua superfície torna-se áspera e revestida por depósitos granulares de urânio. O F‑GG, por contraste, tem uma arquitetura mais aberta, em estilo esponja, com poros maiores; após a sorção, esses poros tornam-se parcialmente preenchidos e bloqueados. Isso favorece uma captação rápida e bom desempenho em misturas complexas, mas com carregamento total ligeiramente menor.

Água real de mina, reutilização e praticidade

Para testar o desempenho em condições do mundo real, a equipe usou lixiviado ácido do minério de urânio El‑Sella, no Egito, um líquido desafiador carregado com muitos metais concorrentes. Mesmo nesse ambiente agressivo, ambos os hidrogéis capturaram preferencialmente o urânio. O F‑CMC alcançou a maior capacidade, mas o F‑GG mostrou melhor seletividade e menor perda de desempenho em comparação com seu comportamento em soluções laboratoriais simples. Os géis também podem ser regenerados: a lavagem com bicarbonato suave ou ácido diluído removeu a maior parte do urânio absorvido, permitindo que cada sorvente fosse reutilizado por pelo menos cinco ciclos mantendo cerca de 80% de sua eficiência original. A análise termodinâmica confirmou que a ligação do urânio é espontânea, libera calor e é parcialmente impulsionada por um aumento na desordem à medida que moléculas de água se rearranjam durante a sorção.

O que isso significa para uma energia nuclear mais limpa

Em termos simples, este trabalho mostra que hidrogéis vegetais adaptados podem atuar como filtros reutilizáveis que extraem urânio de efluentes ácidos e águas de mina, concentrando‑o para possível reciclagem. O gel à base de celulose se destaca pela captura forte e de alta capacidade, enquanto o gel à base de guar oferece seletividade robusta em águas quimicamente complexas. Juntos, demonstram que biopolímeros baratos e renováveis podem ser projetados como ferramentas poderosas para limpar a poluição relacionada ao setor nuclear e recuperar recursos valiosos, ajudando a levar a energia nuclear mais perto de um ciclo de combustível realmente sustentável e fechado.

Citação: 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

Palavras-chave: recuperação de urânio, hidrogéis, purificação da água, biopolímeros, resíduos nucleares