生物聚合物结构对应答基于CMC/瓜尔胶超吸水水凝胶的铀吸附性能的影响

为什么清理铀很重要

铀最广为人知的是作为核电站的燃料，能够在不排放二氧化碳的情况下产生大量电力。但在铀的开采和加工过程中，一部分铀可能泄入水源，对人类和生态系统构成风险。本文所述的研究探索了一种利用基于植物的柔软“超吸水海绵”——水凝胶——从酸性废水和矿石浸出液中捕捉并回收溶解铀的新方法。这些材料旨在通过在铀成为长期废弃物之前将其捕获，助力使核能更清洁。

植物来源的超吸水海绵

研究人员用两种来自植物的天然聚合物构建了超吸水水凝胶：羧甲基纤维素（纤维素的一种改性形式，来源于植物纤维）和瓜尔胶（食品与化妆品中的增稠剂）。他们通过化学“接枝”在这些聚合物上引入额外的构建单元，形成可在水中显著膨胀并提供大量用于结合溶解金属的化学位点的三维网络。凝胶成型后被干燥并磨成小颗粒，命名为F‑CMC和F‑GG，然后对其成分、结构、表面电荷、孔径以及在不同酸度条件下的吸胀能力进行了详尽表征。

凝胶如何抓住铀

在微酸性水体中，铀主要以带正电的铀酰（uranyl）形态存在。水凝胶上富含含氧和含氮的官能团，可以与这些离子结合。实验表明，在约pH 4时，F‑CMC和F‑GG对铀的吸附能力最佳——此时铀仍以可溶形态存在，同时凝胶的结合位点被激活。对铀进入凝胶的速率测试显示出两阶段过程：第一阶段迅速，铀结合到易接近的位点；第二阶段较慢，铀向凝胶颗粒内部迁移。对数据的数学拟合表明，该过程以表面反应和化学键合为主，而不仅仅是简单的扩散。

哪种凝胶更有效以及原因

在对比两种吸附剂时，以纤维素为基础的凝胶（F‑CMC）始终捕获更多铀，相较于以瓜尔胶为基础的凝胶（F‑GG）。在纯净的测试溶液中，F‑CMC的铀负载可达约269毫克/克吸附剂，而F‑GG约为169毫克/克。显微结构和表面测量有助于解释这一差异。F‑CMC具有更小且更具选择性的内部孔径结构以及更高密度的羧基，这些羧基对偏爱氧配位的“硬”铀酰离子是强有力的结合位点。使用后，其表面变得粗糙并覆盖有颗粒状的铀沉积物。相反，F‑GG具有更开放、海绵状的结构，孔隙更大；吸附后这些孔隙部分被填塞和堵塞。这种结构有利于快速吸附并在复杂混合物中保持良好性能，但总体负载略低。

真实矿井水、重复使用与实用性

为测试实际应用性能，研究团队使用了来自埃及El‑Sella铀矿的酸性浸出液，这是一种含有大量竞争性金属的挑战性液体。即便在这种苛刻环境下，两种水凝胶仍优先捕获铀。F‑CMC取得了更高的吸附容量，但F‑GG在选择性及相比实验室简单溶液时的性能损失更小。凝胶还可以再生：用温和的碳酸氢盐溶液或稀酸冲洗即可去除大部分吸附的铀，使每种吸附剂至少可重复使用五个循环，同时保持约80%的原始效率。热力学分析证实，铀的结合是自发的、放热的，并在一定程度上由在吸附过程中水分子重排导致的无序度增加驱动。

这对更清洁的核能意味着什么

简而言之，这项工作表明，经过定制的植物基水凝胶可以作为可重复使用的过滤材料，从酸性废液和矿山排放物中提取铀并将其浓缩以便潜在回收。纤维素基凝胶在强烈、高容量捕获方面表现出色，而瓜尔胶基凝胶在化学复杂的水体中展现出稳健的选择性。二者共同证明了廉价、可再生的生物聚合物可以被工程化为强有力的工具，用于清理与核能相关的污染并回收有价值的资源，助力核能向真正可持续的闭合燃料循环迈进。

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

关键词: 铀回收, 水凝胶, 水净化, 生物聚合物, 核废料