استخلاص الثوريوم من النظام المائي باستخدام قشور الذرة المعدلة بحمض الستريك: التشخيص، الحركية، الثرموديناميكا وآلية الامتزاز

تحويل نفايات المزرعة إلى منظف للمياه

الثوريوم معدن مشع يُستخدم في صناعات عالية التقنية والبحث النووي، لكن تسربه إلى المياه يجعله مصدر قلق بيئي وصحي. في الوقت نفسه، تُحرق أو تُتخلص كميات هائلة من قشور الذرة بعد الحصاد، مما يضيف إلى التلوث. تستكشف هذه الدراسة طريقة أنيقة لمعالجة المشكلتين معًا: استخدام كيمياء بسيطة لتحويل بقايا قشور الذرة إلى مادة منخفضة التكلفة قادرة على انتزاع الثوريوم من الماء بكفاءة عالية.

لماذا يهم وجود الثوريوم في الماء

يوجد الثوريوم طبيعيًا في الصخور والمعادن وله قيمة لاستخدامات تتراوح من السبائك المتقدمة إلى الطب النووي. ومع ذلك، فإن استخراجه ومعالجته يمكن أن يولد نفايات سائلة تحتوي على الثوريوم ومعادن أخرى. غالبًا ما تعتمد طرق التنظيف التقليدية على مواد صناعية مكلفة أو عمليات معقدة. فكرة هذا العمل هي استبدال مثل هذه المواد بـ «ممتز حيوي» مصنوع من نفايات زراعية، مما يوفر مسارًا أرخص وأكثر استدامة لالتقاط الثوريوم قبل أن يصل إلى البيئة.

منح قشور الذرة تحولًا كيميائيًا

جمع الباحثون قشور الذرة المهملة من مزارع مصرية وطحنوها إلى مسحوق ناعم. ثم نقعوا هذا المسحوق في محلول دافئ من حمض الستريك — نفس الحمض الضعيف الموجود في الليمون — وسخنوه لتحفيز تفاعل. أعادت هذه المعالجة تشكيل سطح جزيئات قشور الذرة، مضيفة العديد من المجموعات الغنية بالأكسجين التي تستطيع الالتحام بأيونات المعادن. أظهرت تقنيات المجهر والتحليل السطحي أن المادة المعالجة، المسماة قشر الذرة المعدل، أصبحت أكثر خشونة ومساميّة بكثير، مع مساحة سطح تقارب سبعة أضعاف مساحة القشر الخام، مما خلق العديد من المواقع التي يمكن أن يلتصق بها الثوريوم.

مدى قدرة المادة الجديدة على جذب الثوريوم

لاختبار الأداء، خلط الفريق كميات صغيرة من قشر الذرة المعدل مع ماء يحتوي على ثوريوم مذاب تحت ظروف مختلفة. وجدوا أن الحموضة كانت حاسمة: عند درجة حموضة حمضية طفيفة حوالي 4، كانت جزيئات القشر مشحونة سالبًا وتجذب بشدة أيونات الثوريوم الموجبة الشحنة. في هذه الظروف، أزالت المادة نحو 90 بالمئة من الثوريوم في غضون 25 دقيقة فقط باستخدام غرام واحد لكل لتر من الماء. وأظهرت تجارب عبر نطاق من تراكيز الثوريوم أن السطح يمتلئ بشكل منظم بطبقة واحدة، وأشارت الحسابات إلى سعة تحميل قصوى عالية تقارب 200 ملغ من الثوريوم لكل غرام من الممتز — وهو تنافسي مع أو أفضل من العديد من المواد الطبيعية المبلغ عنها.

ما الذي يحدث على المستوى المجهري

قدمت أدوات التحليل الطيفي المتقدمة نافذة على عملية الارتباط. تحركت التواقيع الإلكترونية للمجموعات الكربوكسيلية والهيدروكسيلي المضافة على قشر الذرة المعدل بعد ارتباط الثوريوم، وهو دليل على أنها تُكوّن روابط كيميائية حقيقية بدلاً من الاحتفاظ بالأيونات بشكل رخو على السطح. الطريقة التي تغير بها الامتصاص مع الزمن تطابقت مع نموذج حركي يرتبط عادةً بالتشبع الكيميائي (chemisorption)، مما يعني أن الثوريوم يُحتجز عبر تفاعلات محددة وقوية نسبيًا. أظهر التحليل الثرموديناميكي أن العملية تلقائية وتميل قليلًا نحو درجات الحرارة الأعلى، مما يشير إلى أن التسخين الخفيف يمكن أن يحسن الإزالة أكثر.

استخدام المرشح القشري، إطلاقه وإعادة استخدامه

لأي تقنية تنظيف عملية، يعد استرداد الملوث ومواد المرشح أمرًا حيويًا. هنا، شُطف مسحوق قشر الذرة المحمّل بالثوريوم بمحلول مخفف من حمض النيتريك، والذي أطلق نحو 94 بالمئة من الثوريوم المحتجز مرة أخرى إلى الشكل السائل لاسترداده المحتمل. ثم أعيد استخدام نفس دفعة قشر الذرة المعدل عدة مرات في محاليل ثوريوم جديدة. حتى بعد خمس دورات امتزاز–طرح، ظل يزيل أكثر من 80 بالمئة من الثوريوم، مما يدل على أن المادة متينة ويمكن تدويرها دون فقدان كبير في الأداء.

من نفايات الحقل إلى مورد مفيد

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أن منتجًا جانبيًا رخيصًا ومتوافرًا من المزارع يمكن تحويله إلى «إسفنجة» فعالة للمعدن المشع في الماء باستخدام حمض صالح للأ alimentos شائع. تمسك قشور الذرة المعالجة بالثوريوم بسرعة وبقوة، وتعمل جيدًا في ظروف حمضية خفيفة، ويمكن تجديدها بغسل حمضي لطيف، مما يجعلها واعدة لتنظيف مياه المصانع أو مخلفات التعدين. تحول هذه المقاربة ما كان مصدرًا للدخان والنفايات إلى أداة عملية لحماية الموارد المائية مع تمكين استرداد الثوريوم القيم بشكل أكثر أمانًا.

الاستشهاد: Attia, R.M. Extraction of thorium from aqueous system using citric acid modified corn cob: characterization, kinetics, thermodynamics and adsorption mechanism. Sci Rep 16, 14636 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47530-6

الكلمات المفتاحية: إزالة الثوريوم, مادة ممتزة من قشور الذرة, معالجة مياه الصرف, الامتزاز الحيوي, تعديل بحمض الستريك