הסרה יעילה של Cs+ ו-Sr2+ מהמים באמצעות ננו‑צינורות טיטנטאט משובצים במאקרומולקולות אלגינט

מדוע ניקוי מים רדיואקטיביים חשוב

לאחר תאונות גרעיניות, הליכים רפואיים או תפעול שגרתי של תחנות כוח, כמויות זעירות של מתכות רדיואקטיביות בעלות חיי חצי ארוכים עלולות להימצא במים. שני היסודות המדאיגים ביותר הם סזיום וסטרונציום, שיכולים להצטבר ברקמות רכות ובעצמות אם ייכנסו לשרשרת המזון. המחקר הזה בוחן שיטה מבטיחה ללכוד מתכות מסוכנות אלה במהירות וביעילות באמצעות ננו‑מבנים מינרליים מותאמים המוקפאים בתוך פולימר ביודגרדבילי בצורת ג׳לי.

צינורות זעירים שפועלים כספוגים למתכות

החוקרים התמקדו בננו‑צינורות טיטנטאט — חלקיקים חלולים ודמויי מחט העשויים מינרל מבוסס טיטניום. מאחר שהצינורות האלה זעירים במיוחד ובעלי שטח פנים גדול מאוד, הם מציעים מקומות רבים להיקשרות יוני מתכת. הצוות ייצר את הננו‑צינורות בתמיסה בסיסית בטמפרטורות גבוהות החל מאבקת דו‑תחמוצת הטיטניום השגרתית. הבדיקות הראו כי הצינורות שנוצרו יציבים, אחידים בגודל ומכוסים בקבוצות כימיות שיכולות לקשור יונים חיוביים כמו סזיום (Cs⁺) וסטרונציום (Sr²⁺).

מאבקה רופפת לחרוזים שקל לטפל בהם

למרות שננו‑הצינורות החשופים מצטיינים בלכידת מתכות, קשה לאספן מהמים המטופלים כי הם כה דקים. כדי לפתור זאת, המדענים הכניסו את הננו‑צינורות לתוך חרוזים עשויים אלגינט, פולימר טבעי הנחלץ מאצות חומות וכבר נמצא בשימוש במזון ובמוצרים רפואיים. כאשר אלגינט נתקל ביוני סידן במים, הוא הופך לחרוזים ג׳לטיניים חזקים. על ידי ערבוב הננו‑צינורות עם האלגינט לפני שלב זה, הקבוצה יצרה חומר מרוכב (נקרא T/G) שבו הצינורות כלואים בתוך כדורים בקוטר מילימטרי שניתן להוציא בקלות או לארוז במסננים.

כמה טוב החומרים החדשים מנקים מים

בניסויים במעבדה, אבקת הננו‑צינורות הסירה סזיום וסטרונציום מהמים במהירות רבה, והגיעה לקיבולת כמעט מקסימלית כבר תוך 15–30 דקות. בתנאים מעט בסיסיים (בסביבת pH כ־8) ובמינון מתון, הצינורות הסירו כ־90% מהסזיום וכ־97% מהסטרונציום מתמיסות מדוללות. דגימה מפורטת של כמות המתכת שהחומר יכול להכיל הראתה כי הצינורות מספקים תערובת של סוגי משטחים, המאפשרת הצטברות של כמה שכבות יונים, במיוחד עבור סטרונציום. כאשר הננו‑צינורות הוטבעו בתוך חרוזי האלגינט, היעילות הכוללת ירדה לכ־45–70% עבור סזיום ולכ־70–90% עבור סטרונציום, בעיקר מפני שכל חרוז מכיל פחות שטח פעיל של ננו‑צינורות בהשוואה לאבקה חופשית. עם זאת, החרוזים הפכו הרבה יותר קלים לטיפול ולהפרדה מהמים.

מה קורה בקנה מידה אטומי

מדידות של החומרים לפני ואחרי השימוש חשפו תהליך לכידה רב‑שלבי. ראשית, פני השטח של הננו‑צינורות נושאים קבוצות חמצן בעלות פולאריות שלילית שמושכות את יוני הסזיום והסטרונציום החיוביים. לאחר מכן, יונים אלה יוצרים קשרים חזקים יותר עם אתרי חמצן עשירים על פני השטח, ויוצרים קומפלקסים יציבים. לבסוף, חלק מהסזיום והסטרונציום הנכנסים מפנים יוני נתרן שנמצאים באופן טבעי בתוך מבנה הטיטנטאט, ובכך מחליפים עמם מקום. שילוב זה של משיכה אלקטרוסטטית, קשרי פני שטח והחלפת יונים מסביר הן את הפעולה המהירה והן את הקיבולת הגבוהה של הננו‑צינורות, במיוחד עבור סטרונציום.

שימוש חוזר במסננים ומבט לעתיד

שאלה מרכזית לכל טכנולוגיית ניקוי היא האם ניתן להשתמש בה יותר מפעם אחת. הצוות הראה כי גם הננו‑צינורות הטהורים וגם חרוזי האלגינט ניתנים לשיחזור על‑ידי שטיפה בחומצה מתונה לשחרור המתכות הכלואות, ולאחר מכן שטיפה והתחדשות. לאחר חמישה מחזורים כאלה, הננו‑צינורות שמרו על יותר מ‑90% מהביצועים המקוריים שלהם, והחרוזים שמרו על יותר מ‑85%, כאשר הם נשארים שלמים מבחינה מבנית. לשימוש במציאות, המחברים מציינים שיש לאופטימizar את יחס הננו‑צינורות לאלגינט בחרוזים, ויש לבדוק את החומרים במי صرف אמיתיים המכילים יונים מתחרים רבים. עם זאת, העבודה מצביעה על כך שננו‑צינורות טיטנטאט, במיוחד בשילוב עם חרוזי ביופולימר פשוטים, הם מועמדים חזקים למערכות בקנה מידה שניתנות לשימוש חוזר לניקוי סזיום וסטרונציום רדיואקטיביים מהמים.

ציטוט: 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

מילות מפתח: טיפול במים רדיואקטיביים, הסרת סזיום, הסרת סטרונציום, ננו‑צינורות טיטנטאט, טחבי אלגינט