תאית עם קישורי אוראתן המעוטרת בפונקציונליות מיינתית לטיהור שפכים כולל עיצוב, סינתזה ומחקרים תיאורטיים

הפיכת פסולת צמחית לכלי לטיהור מים

גישה למים בטוחים חיונית לבריאות, אך קהילות רבות נאבקות בשפכים מזוהמים ביוני מתכות רעילות. המחקר הזה בוחן כיצד שאריות מתעשיית שמן הזית יכולות לעבור המרה לפילטרים רכים וספוגיים שמסירים מתכות מסוכנות כגון עופרת ויוני אורניום מהמים, ומציעים אפשרות זולה וידידותית לסביבה לניקוי.

מדוע קשה לטפל במים מזוהמים

פעילות תעשייתית, ביתית וחקלאית משחררת תערובת מזהמים למקווי מים, כולל יוני מתכות כמו עופרת, קדמיום וכרום. מתכות אלה אינן מתפרקות ויכולות להצטבר בגוף לאורך זמן ולגרום לבעיות בריאות חמורות. שיטות טיפול רבות כיום יקרות או מורכבות. אלטרנטיבה נפוצה היא סופיחה (adsorption), שבה המזהמים נדבקים לפני שטח של חומר מוצק. חומרים טבעיים כגון תאית מהצמחים אטרקטיביים למטרה זו מכיוון שהם שופעים, מתחדשים ובטוחים יחסית, אך לתאית רגילה יש אתרי קישור מוגבלים למתכות ולא תמיד היא חושפת את האתרים האלה בקלות למים הזורמים.

בניית ספוג טוב יותר מפסולת זיתים

החוקרים התחילו בתאית שהופקה מפסולת מוצקה שנותרת לאחר סחיטת זיתים, חומר שבדרך כלל נשרף או נפסק. הם שינו כימית את התאית להוספת קבוצות קרבוקסיל, שיכולות למשוך יוני מתכות בחוזקה. לאחר מכן הם גיברו את התאית המשוכתבת עם שני מולקולות דיאיזוציאנאט שונות ליצירת שני סוגי קצפים רכים עם קישורי אוראתן. קצפים אלה, שנקראו CMC HMPUF ו-CMC PPUF, יוצרים מבנה נקבובי וגמיש עם ערוצי מיקרו רבים. השילוב של שטח פנים גבוה, קבוצות קרבוקסיל ותצורת קצף יציבה הופך את פסולת הזיתים למסנן מותאם שניתן למלא בו מחסניות פשוטות.

כמה טוב הקצפים החדשים מנקים מים

כדי לבדוק ביצועים, הצוות השתמש תחילה בעופרת במים כדוגמת מזהם וכיוון פרמטרים כגון pH, זמן מגע, טמפרטורה ומינון קצף. הם מצאו ששני הקצפים הסירו עופרת בצורה היעילה ביותר בתנאים בסיסיים מתונים סביב pH 6–8, שבהם קבוצות הקרבוקסיל על פני הקצף נושאות מטען שלילי וקושרות בקלות יונים חיוביים של מתכות. בתנאים מותאמים, הקצפים לכדו בערך 29–33 מיליגרם עופרת לגרם קצף, והתהליך הגיע לרמה קרובה ליציבות בתוך כ-30 דקות. ניתוח מפורט הראה שהסופיחה עקבה בתחום התנהגות עקבית עם יצירת קומפלקסים פני שטחיים יציבים, ושהתהליך כולו התרחש בדרגת ספונטניות בטמפרטורות הנבדקות.

מבחני שפכים אמיתיים ושימוש חוזר במסננים

המדענים עברו ממערכות מעבדה לדגימת שפכים אמיתית ממפעל טיפול ביריחו, פלסטין. כאשר מים אלה הועברו דרך עמודות קטנות הממולאות בקצפים, שני החומרים הסירו טווח רחב של מתכות, כולל אלומיניום, נחושת, אבץ ואורניום, לעתים קרובות ביותר מ-90 אחוזים. חשוב לציין שניתן לשחזר את הקצפים: המתכות נשטפו החוצה באמצעות תמיסה חומצית ומכילֵת קולטן, והקצף הוחזר לפעולה עם בסיס מתון. לאחר חמישה מחזורים של שימוש ושחזור, המסננים עדיין שמרו על יותר מ-90 אחוז מיעילות ההסרה המקורית שלהם, מה שמעיד על כך שניתן להשתמש בהם מספר פעמים במקום לזרוק אחרי מעבר יחיד.

הסתכלות פנימית על תהליך קליטת המתכות

כדי להבין טוב יותר מה קורה ברמה המיקרוסקופית, הצוות השתמש בסימולציות מחשב המבוססות על כימיה קוונטית, שיטות מונטה קרלו ודינמיקת מולקולות. חישובים אלה הראו שיוני עופרת מתמקמים בנוחות בסמוך לאתרים עשירים בחמצן בקצף ומפתחים אינטראקציות חזקות איתם, התאמה שמחזקת את הממצא הניסיוני שאנרגיות הסופיחה נאותות מאוד ושליליות. המודלים גם הצביעו שיוני המתכת נגררים תחילה ומתאחדים לאתרים נגישים על פני הקצף, ואז מפזרים לאט לאזורים עמוקים יותר, תואם להתנהגות הסופיחה שנצפתה לאורך הזמן.

מה משמעות הדבר למים נקיים יותר

עבודה זו מראה שפסולת חקלאית, במקרה זה שאריות מתעשיית הזית, יכולה להיות מתוגברת לקצפים מיוחדים המפנים ביעילות מתכות רעילות משפכים. המסננים פועלים במהירות בתנאים פשוטים, יכולים להתמודד עם דגימות מים מורכבות מן העולם האמיתי המכילות מתכות רבות, וניתן לשחזרם מספר פעמים. עבור ציבור לא מקצועי, המסר המרכזי הוא שחומר צמחי נפוץ יכול להיות מעוצב מחדש לספוגית ניקוי לשימוש חוזר למים, ובכך לסייע למתקני טיפול להפחית זיהום ובו בזמן להעניק ערך חדש לתוצר לוואי תעשייתי.

ציטוט: Kaseeb, S., Deghles, A., Hamed, O. et al. Cellulose with urethan crosslinks decorated with ionic functionality for wastewater purification including design, synthesis, and theoretical studies. Sci Rep 16, 15385 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34653-5

מילות מפתח: טיפול בשפכים, הסרת מתכות כבדות, קצף תאית, פסולת זיתים, adsorption