Effekt av biopolymerstruktur på uransorption av superabsorberande hydrogel baserade på CMC/guargummi

Varför sanering av uran spelar roll

Uran är mest känt som bränsle för kärnkraftverk, som kan generera stora mängder elektricitet utan att släppa ut koldioxid. Men när uran bryts och bearbetas kan en del läcka ut i vattenförsörjningen och utgöra risker för människor och ekosystem. Studien bakom den här artikeln undersöker ett nytt sätt att fånga och återvinna löst uran från sura avloppsvatten och lakvatten från malmer med hjälp av mjuka, växtbaserade ”supersvampar” kallade hydrogeler. Dessa material syftar till att göra kärnenergi renare genom att fånga värdefullt uran innan det blir långsiktigt avfall.

Växtbaserade supersvampar

Forskarna byggde två typer av superabsorberande hydrogeler från naturliga polymerer härledda från växter: karboximetylcellulosa (en modifierad form av cellulosa från växtfibrer) och guargummi (en förtjockningsmedel som används i livsmedel och kosmetika). De kemiskt ”graftade” extra byggstenar på dessa polymerer för att skapa tredimensionella nätverk som kan svälla dramatiskt i vatten samtidigt som de presenterar många kemiska krokar för lösta metaller. Efter att gelarna bildats torkades och maldes de till små partiklar, betecknade F‑CMC och F‑GG, och deras sammansättning, struktur, ytladdning, porstorlek och svällningsförmåga i vatten över ett pH‑spann karakteriserades noggrant.

Hur gelarna fångar uran

I svagt surt vatten förekommer uran huvudsakligen som positivt laddade uranyl‑arter. Hydrogelerna presenterar syre‑ och kväverika grupper som kan binda dessa joner. Experiment visade att både F‑CMC och F‑GG absorberar uran bäst runt pH 4, där balansen mellan att uranet förblir löst och att gelens bindande grupper är aktiverade är optimal. Tester av hur snabbt uran rör sig in i gelarna visade en tvåstegsprocess: en snabb första fas där uran fäster vid lättillgängliga platser, följd av långsammare förflyttning in i gelpartiklarnas inre. Matematiska anpassningar till data indikerar att processen domineras av ytreaktioner och kemisk bindning, inte enbart enkel diffusion.

Vilken gel fungerar bättre och varför

När de två sorbenterna jämfördes fångade cellulosa‑baserade gelen (F‑CMC) konsekvent mer uran än guar‑baserade gelen (F‑GG). I rena testlösningar höll F‑CMC upp till cirka 269 milligram uran per gram sorbent, medan F‑GG nådde runt 169 milligram per gram. Mikroskopi och ytmätningar hjälper till att förklara denna skillnad. F‑CMC har en intern struktur med mindre, mer selektivt storleksordnade porer och en högre densitet av karboxylgrupper, vilka fungerar som starka bindningsställen för den hårda, syreälskande uranyljonen. Efter användning blir dess yta grov och täckt av korniga avlagringar av uran. F‑GG, däremot, har en mer öppen, svamp‑lik arkitektur med större porer; efter sorption blir dessa porer delvis fyllda och blockerade. Detta gynnar snabb upptagning och god prestanda i komplexa blandningar, men med något lägre total lastkapacitet.

Verkligt gruvvatten, återanvändning och praktisk tillämpning

För att testa prestanda i verkliga miljöer använde teamet surt lakvatten från El‑Sella‑uranmalmen i Egypten, en krävande vätska laddad med många konkurrerande metaller. Även i denna hårda miljö fångade båda hydrogelerna i första hand uran. F‑CMC uppnådde den högre kapaciteten, men F‑GG visade bättre selektivitet och ett mindre prestandafall jämfört med sitt beteende i enkla laboratorielösningar. Gelerna kan också regenereras: tvätt med mild bikarbonatlösning eller utspädd syra avlägsnade större delen av det absorberade uranet, vilket gjorde det möjligt att återanvända varje sorbent i minst fem cykler samtidigt som ungefär 80 % av ursprunglig effektivitet bibehölls. Termodynamisk analys bekräftade att uranbindningen är spontan, frigör värme och delvis drivs av en ökning i oordning när vattenmolekyler omorganiseras under sorptionsprocessen.

Vad detta innebär för renare kärnenergi

Enkelt uttryckt visar detta arbete att skräddarsydda växtbaserade hydrogeler kan fungera som återanvändbara filter som drar uran ur surt avfall och gruvutlopp och koncentrerar det för potentiell återvinning. Cellulosa‑baserade gelen utmärker sig i stark, högkapacitetsfångst, medan guar‑baserade gelen erbjuder robust selektivitet i kemiskt komplexa vatten. Tillsammans visar de att billiga, förnybara biopolymerer kan konstrueras till kraftfulla verktyg för att sanera kärnrelaterad förorening och återvinna värdefulla resurser, vilket hjälper kärnkraften att röra sig närmare en verkligt hållbar, sluten bränslecirkulär ekonomi.

Citering: 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

Nyckelord: återvinning av uran, hydrogeler, vattenrening, biopolymerer, kärnavfall