Влияние структуры биополимера на сорбцию урана сверхабсорбирующими гидрогелями на основе КМЦ/гуаровой камеди

Почему важно очищать уран

Уран наиболее известен как топливо для атомных электростанций, которые способны генерировать большие объёмы электроэнергии без выбросов диоксида углерода. Но при добыче и переработке уран может попадать в водные ресурсы, создавая угрозу для людей и экосистем. Работа, лежащая в основе этой статьи, изучает новый способ улавливания и восстановления растворённого урана из кислых промышленных стоков и вымывов руд с помощью мягких, растительных «супершпунжей» — гидрогелей. Эти материалы призваны сделать ядерную энергию чище, захватывая ценный уран до того, как он станет долговременным отходом.

Растительные супершпунжи

Исследователи создали два типа сверхабсорбирующих гидрогелей из натуральных полимеров растительного происхождения: карбоксиметилцеллюлозы (модифицированной формы целлюлозы из растительных волокон) и гуаровой камеди (загустителя, используемого в продуктах питания и косметике). Они химически «пришили» дополнительные блоки к этим полимерам, чтобы сформировать трёхмерные сети, которые могут сильно набухать в воде и при этом предоставлять множество химических «крючков» для растворённых металлов. После формирования гелей их сушили и перемалывали до мелких частиц, получив образцы F‑CMC и F‑GG, и затем тщательно характеризовали их состав, структуру, поверхностный заряд, размер пор и способность к набуханию в воде при различных значениях кислотности.

Как гели захватывают уран

В слабокислой воде уран присутствует главным образом в виде положительно заряженных уранил‑видов. Гидрогели содержат богатые кислородом и азотом группы, которые способны связывать эти ионы. Эксперименты показали, что оба материала — F‑CMC и F‑GG — лучше всего поглощают уран при примерно pH 4, где достигается баланс между сохранением урана в растворе и активацией связывающих групп геля. Исследования кинетики показали двухступенчатый процесс: быстрая начальная стадия, когда уран прилипает к легко доступным участкам, и более медленное проникновение вглубь частиц геля. Математическое аппроксимирование данных указывает на то, что процесс контролируется поверхностными реакциями и образованием химических связей, а не только простым диффузионным переносом.

Какой гель работает лучше и почему

При сравнении двух сорбентов целлюлозный гель (F‑CMC) последовательно захватывал больше урана, чем гель на основе гуара (F‑GG). В чистых лабораторных растворах F‑CMC удерживал до примерно 269 миллиграммов урана на грамм сорбента, тогда как F‑GG достигал порядка 169 миллиграммов на грамм. Микроскопия и измерения поверхности помогают объяснить эту разницу. F‑CMC имеет внутреннюю структуру с меньшими, более селективно распределёнными по размеру порами и более высокой плотностью карбоксильных групп, которые действуют как сильные связывающие центры для «жёсткого», кислородолюбивого иона уралила. После использования его поверхность становится шершавой и покрывается зернистыми депозитами урана. F‑GG, напротив, обладает более открытой губчатой архитектурой с большими порами; после сорбции эти поры частично заполняются и блокируются. Это способствует быстрому захвату и хорошей работе в сложных смесях, но даёт несколько меньшую суммарную загрузку.

Реальная шахтная вода, повторное использование и практичность

Для оценки практической эффективности команда использовала кислый вымыв из урановой руды Эль‑Селла в Египте — сложную среду, насыщенную множеством конкурирующих металлов. Даже в таких жёстких условиях оба гидрогеля преимущественно захватывали уран. F‑CMC достигал большей ёмкости, тогда как F‑GG демонстрировал лучшую селективность и меньшее падение эффективности по сравнению с поведением в простых лабораторных растворах. Гели также можно регенерировать: промывка мягким бикарбонатом или разбавленной кислотой удаляла большую часть поглощённого урана, что позволяло использовать каждый сорбент повторно как минимум в пяти циклах, сохраняя примерно 80% первоначальной эффективности. Термодинамический анализ подтвердил, что связывание урана является спонтанным, сопровождается выделением тепла и частично обусловлено увеличением беспорядка по мере реорганизации молекул воды во время сорбции.

Что это значит для более чистой ядерной энергетики

Проще говоря, работа показывает, что разработанные растительные гидрогели могут служить многоразовыми фильтрами, извлекающими уран из кислых отходов и шахтных стоков и концентрируя его для возможного вторичного использования. Целлюлозный гель превосходит по прочному, высокоёмкому захвату, тогда как гуаровый гель предлагает надёжную селективность в химически сложных водах. Вместе они демонстрируют, что недорогие, возобновляемые биополимеры можно сконструировать в эффективные инструменты для очистки загрязнений, связанных с ядерной промышленностью, и восстановления ценных ресурсов, что помогает ядерной энергетике приблизиться к действительно устойчивому, замкнутому топливному циклу.

Цитирование: 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

Ключевые слова: восстановление урана, гидрогели, очистка воды, биополимеры, ядерные отходы