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Un conjunto de investigadores han dado a conocer un nuevo y prometedor método que podría transformar la forma de recuperar el uranio de los flujos de aguas residuales más difíciles.
Combinando un marco orgánico covalente especialmente diseñado con un proceso electroquímico indirecto, el método ofrece alta eficacia, estabilidad a largo plazo y gran tolerancia a entornos químicamente complejos. Los resultados aportan nuevos conocimientos sobre cómo los materiales funcionales avanzados y unas condiciones de funcionamiento optimizadas pueden contribuir a un desarrollo de la energía nuclear más limpia y sostenible.
El uranio es un recurso vital para la generación de energía nuclear, pero su extracción convencional se enfrenta a crecientes presiones medioambientales y económicas. Científicos de todo el mundo están explorando nuevas formas de extraer uranio de fuentes no convencionales, como aguas residuales, agua de mar y efluentes industriales contaminados.
La extracción electroquímica de uranio ha surgido como una alternativa atractiva porque permite un funcionamiento controlable, una respuesta rápida y una alta selectividad. Sin embargo, esta tecnología sigue teniendo problemas como la pasivación de los electrodos, la interferencia de iones competidores y el elevado coste de fabricación de electrodos eficientes.
Un estudio reciente aborda estas limitaciones creando un electrodo de marco orgánico covalente autónomo capaz de realizar dos tareas simultáneamente. Construido sobre un soporte de tela de carbono, el electrodo contiene una columna vertebral de poliariléter que impulsa la reacción de reducción del oxígeno para producir peróxido de hidrógeno, junto con grupos amidoxima que unen selectivamente iones uranilo. La combinación proporciona una vía química y electroquímica coordinada que mejora enormemente el proceso de extracción.
Uno de los puntos fuertes del estudio es su evaluación sistemática de los factores que influyen en el rendimiento de la extracción. Los investigadores descubrieron que el pH de la solución desempeña un papel fundamental. En ambientes ácidos, la protonación de los grupos amidoxima reduce su capacidad de atraer uranio. Por el contrario, las condiciones entre neutras y alcalinas favorecen una unión más fuerte y favorecen la formación de studtite, un compuesto cristalino de peróxido de uranio que se forma durante la extracción. Cuando el pH se mantiene dentro de un rango favorable, el sistema alcanza eficacias de extracción superiores al 90%.
El voltaje aplicado es otro parámetro clave. La tasa de producción de peróxido de hidrógeno depende directamente del voltaje, que controla la reacción de reducción de oxígeno de dos electrones. El aumento del potencial aplicado mejora significativamente la recuperación de uranio al elevar la concentración local de peróxido de hidrógeno cerca de la superficie del electrodo. Esto acelera la formación de studtita y aumenta la eficacia de la extracción, especialmente a altas concentraciones de uranio.
El sistema también muestra una excelente resistencia a las interferencias de los iones de sodio y los aditivos orgánicos que suelen encontrarse en las aguas residuales reales. Incluso en soluciones con alta fuerza iónica o componentes orgánicos complejos, el electrodo mantiene eficiencias de extracción de uranio superiores al 85%. Esta resistencia refleja la fuerte selectividad intrínseca de los grupos amidoxima para los iones uranilo.
Las pruebas de rendimiento a largo plazo ilustran aún más la durabilidad del método. En aguas residuales radiactivas ricas en materia orgánica, el electrodo acumuló más de nueve mil miligramos de uranio por gramo de material a lo largo de 450 horas de funcionamiento continuo, uno de los valores más altos registrados en sistemas electroquímicos de extracción de uranio.
El mecanismo sinérgico que subyace a este éxito implica dos pasos interconectados. En primer lugar, los grupos amidoxima quelan los iones uranilo e inician la nucleación. En segundo lugar, el peróxido de hidrógeno electrogenerado impulsa el crecimiento sostenido de los cristales. Juntos, estos procesos permiten una extracción estable y eficaz incluso en condiciones químicas difíciles.
Los autores señalan que quedan varios retos por superar antes de que la tecnología pueda implantarse ampliamente, como mejorar la fabricación de electrodos, reducir la sensibilidad a las fluctuaciones del pH y evitar el bloqueo de los sitios activos durante el funcionamiento a largo plazo. Destacan direcciones futuras como el diseño de materiales guiado por el aprendizaje automático, las estrategias avanzadas de control del voltaje, la caracterización operando y la ingeniería de sistemas de flujo modulares para apoyar aplicaciones a gran escala.
Esta investigación supone un paso importante hacia sistemas prácticos de recuperación de uranio de alto rendimiento que puedan funcionar en entornos complejos del mundo real. También ofrece una valiosa orientación para el diseño de materiales y procesos electroquímicos de próxima generación destinados a la recuperación de recursos y el saneamiento medioambiental.
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