إزالة فعالة لأيونات Cs+ و Sr2+ من الماء باستخدام أنابيب نانوية من التيتانات مضمنة في جزيئات الألجينات

لماذا يهم تنظيف المياه المشعة

بعد الحوادث النووية أو الإجراءات الطبية أو عمليات محطات الطاقة الروتينية، يمكن أن تنتهي كميات صغيرة من المعادن المشعة طويلة العمر في الماء. اثنان من أكثرها إثارة للقلق هما السيزيوم والاسترونتيوم، اللذان يمكن أن يتراكمَا في الأنسجة الرخوة والعظام إذا دخلا السلسلة الغذائية. تستكشف هذه الدراسة طريقة واعدة لاحتجاز هذه المعادن الخطرة بسرعة وكفاءة باستخدام هياكل نانوية معدنية مصممة تغلفها بوليمر قابل للتحلل يشبه الهلام.

أنابيب صغيرة تتصرف كإسفنج للمعادن

ركز الباحثون على أنابيب التيتانات النانوية—جزيئات مجوفة تشبه الإبر مصنوعة من معدن قائم على التيتانيوم. وبما أن هذه الأنابيب صغيرة للغاية وتمتلك مساحة سطحية كبيرة جدًا، فهي توفر العديد من المواقع التي يمكن لأيونات المعادن أن تلتصق بها. حضّر الفريق الأنابيب في محلول قلوي عالي الحرارة بدءًا من مسحوق ثنائي أكسيد التيتانيوم الشائع. أظهرت الاختبارات أن الأنابيب الناتجة كانت مستقرة وموحدة الحجم ومغطاة بمجموعات كيميائية قادرة على جذب الأيونات الموجبة مثل السيزيوم (Cs⁺) والاسترونتيوم (Sr²⁺).

من مسحوق متطاير إلى خرزات سهلة التعامل

على الرغم من أن الأنابيب النانوية العارية ممتازة في التقاط المعادن، إلا أنها صعبة الجمع من الماء المعالج لأنها دقيقة جدًا. ولحل هذه المشكلة، دمج العلماء الأنابيب داخل خرزات مصنوعة من الألجينات، وهو بوليمر طبيعي مستخرج من الطحالب البنية ويُستخدم بالفعل في الأغذية والمنتجات الطبية. عندما يلتقي الألجينات بأيونات الكالسيوم في الماء، يتحول إلى خرزات هلامية صلبة. بمزج الأنابيب مع الألجينات قبل هذه الخطوة، شكّل الفريق مادة مركبة (تسمى T/G) تحُبس فيها الأنابيب داخل كرات بحجم مليمتر يمكن سكبهـا أو تعبئتها بسهولة في مرشحات.

مدى كفاءة المواد الجديدة في تنظيف المياه

في اختبارات مخبرية، أزال مسحوق الأنابيب السيزيوم والاسترونتيوم من الماء بسرعة كبيرة، حيث بلغ الامتزاز قرب الحد الأقصى في غضون 15–30 دقيقة فقط. في ظروف قلوية خفيفة (حوالي pH 8) وبجرعة معتدلة، أزالت الأنابيب نحو 90% من السيزيوم و97% من الاسترونتيوم من المحاليل المخففة. أظهر التمثيل التفصيلي لقدرة المادة على الاحتفاظ بالمعادن أن الأنابيب تقدم مزيجًا من أنواع السطوح، مما يسمح بتراكم عدة طبقات من الأيونات، خاصةً للاستِرونتيوم. عندما أُغلقت الأنابيب داخل خرزات الألجينات، انخفضت الإزالة الإجمالية إلى نحو 45–70% للسيزيوم و70–90% للاستِرونتيوم، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن كل خرزة تحتوي على سطح نشط أقل من مسحوق الأنابيب السائب. ومع ذلك، أصبحت الخرزات أسهل بكثير في المناولة والفصل من الماء.

ماذا يحدث على النطاق الذري

كشفت قياسات المواد قبل وبعد الاستخدام عن عملية احتجاز متعددة المراحل. أولًا، تحمل أسطح الأنابيب مجموعات أكسجين سالبة الاستقطاب تجذب أيونات السيزيوم والاسترونتيوم الموجبة. بعد ذلك، تشكل هذه الأيونات روابط أقوى مع مواقع غنية بالأكسجين على السطح، مكوّنة مركبات مستقرة. أخيرًا، يقوم بعض السيزيوم والاسترونتيوم الداخلين بدفع أيونات الصوديوم الموجودة طبيعيًا داخل بنية التيتانات، مما يؤدي إلى تبادل أيوني. يشرح هذا المزيج من الجذب الكهروستاتيكي، والربط السطحي، وتبادل الأيونات كل من العمل السريع والقدرة العالية للأنابيب، خاصةً بالنسبة للاستِرونتيوم.

إعادة استخدام المرشحات والنظرة المستقبلية

سؤال أساسي لأي تكنولوجيا تنظيف هو ما إذا كانت صالحة للاستخدام المتكرر. أظهر الفريق أن كلًّا من الأنابيب النانوية النقية والخرزات المعتمدة على الألجينات يمكن تجديدها بغسلهما بحمض خفيف لتحرير المعادن المحتجزة، ثم شطفهما وإعادتهما إلى حالة مناسبة. بعد خمس دورات من هذا النوع، حافظت الأنابيب على أكثر من 90% من أدائها الأصلي، واحتفظت الخرزات بأكثر من 85%، مع بقاء السلامة الهيكلية. للاستخدام الواقعي، ينوّه المؤلفون إلى أن نسبة الأنابيب إلى الألجينات في الخرزات يجب تحسينها، وأن المواد بحاجة إلى اختبار في مياه الصرف الحقيقية التي تحتوي على العديد من الأيونات المتنافسة. مع ذلك، تشير النتائج إلى أن أنابيب التيتانات النانوية، خاصةً عند دمجها مع خرزات بيوبوليمر بسيطة، تمثل مرشحين أقوياء لأنظمة قابلة للتوسيع وقابلة لإعادة الاستخدام لتنظيف السيزيوم والاسترونتيوم المشع من الماء.

الاستشهاد: Farouk, E., Zaki, A.H., Eldek, S.I. et al. Efficient removal of Cs⁺ and Sr²⁺ from water using titanate nanotubes embedded in alginate macromolecules. Sci Rep 16, 7483 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38030-8

الكلمات المفتاحية: معالجة المياه المشعة, إزالة السيزيوم, إزالة الاسترونتيوم, أنابيب نانوية من التيتانات, خرزات الألجينات