הסרה בת-קיימא של Cd(II) ו-Cr(VI) מתמיסה מימית באמצעות ביוצ'ר שמקורו בפסולת חקלאית

הפיכת פסולת חווה לניקוי מים

בכל רחבי העולם פעילויות תעשייתיות משחררות מתכות רעילות לנהרות ולמי תהום, מה שמסכן אספקת שתייה וחיי המים. במקביל, ערמות שאריות חקלאיות כמו גרעיני תירס נשרפות או נזרקות. מחקר זה בוחן דרך לטפל בשני הבעיות בו-זמנית: להפוך גרעיני תירס לחומר פחמי פשוט דמוי פחם, המכונה ביוצ'ר, שיכול לסלק מתכות מסוכנות מהמים ללא כימיקלים יקרים או טכנולוגיה מסובכת.

מדוע מתכות מסוימות במים מדאיגות כל כך

שתי המתכות שעומדות במרכז העבודה הן קדמיום וכרום. הן נשפכות למים מתהליכים כגון ציפוי אלקטרו, גריפת עור, ייצור סוללות וייצור צבעים. במנות קטנות הן כבר יכולות לפגוע בכליות, בעצמות ובמערכת העצבים, וחלק מהצורות מקושרות באופן חזק לסרטן. מאחר שמתכות אלה לא מתפרקות ויכולות להצטבר ברשת המזון, אפילו רמות נמוכות במי שפכים עלולות להפוך לסיכון בריאותי לטווח הארוך. שיטות הטיפול הנוכחיות פועלות רבות מהן, אך הן עלולות להיות יקרות, לדרוש אנרגיה רבה או ליצור זרמי פסולת חדשים כמו בוצה רעילה. פילטר זול וניתן לשימוש חוזר שמיוצר ממסה ביולוגית מפסולת יהיה לכן אטרקטיבי במיוחד באזורים עם משאבים מוגבלים.

מגרגרת תירס למסנן נקבובי

החוקרים אספו גרעיני תירס מושלכים מהשדות, שטפו אותם בחומצה חלשה להסרת זיהומים, ייבשו ואז חיממו אותם בהיעדר חמצן בתהליך המכונה פירוליזה. זה הפך את הגרעינים הלבנים והסיביים לגרנולות ביוצ'ר כהות ונקבוביות. דימות מפורט הראה משטח מחוספס בדמיון למקל עם ערוצים זעירים בהם יכולים לחדור מים ומתכות מומסות. בדיקות כימיות חשפו שמשטח החומר עשיר בקבוצות הכוללות חמצן שיכולות לקשר יוני מתכת. במילים אחרות, הצוות המיר שארית חקלאית בעלת ערך נמוך לספוג פחמני מובנה עם מרווחים מיקרוסקופיים רבים ונקודות פעילות כימית המתאימות ללכידת מזיקים.

באיזו מידה הספוג מבוסס התירס לוכד מתכות

כדי לבדוק עד כמה החומר יעיל, הצוות השרו כמויות מדודות של ביוצ'ר במים המכילים רמות מוכרות של קדמיום או כרום שש-ערכי ושינו תנאים כמו זמן מגע, טמפרטורה, חומציות ומינון. הם מצאו שקליטת המתכות עלתה במהירות בשעה הראשונה ואז התאזנה כשהאתרים הזמינים התמלאו. בתנאים מתאימים, גרם אחד של ביוצ'ר מתירס יכול להכיל עד כ-70 מיליגרם קדמיום או 55 מיליגרם כרום, ערכים שמשווים היטב או עולים על רבים מהספיגים זולים שדווחו בספרות. מים חלשים חומציים פעלו הכי טוב: בערך pH 4.5 לקדמיום ו-pH 5.0 לכרום, שם המטען על משטח הביוצ'ר והצורות המומסות של המתכות מתואמות כך שיעדיפו משיכה על פני דחייה.

מבט אל המנגנון הנסתר

על ידי מעקב אחר הקצב שבו המתכות נעלמו מהתמיסה וכיצד קשרי המשטח של הביוצ'ר השתנו לאחר שימוש, המחברים הסיקו מה קורה ברמה המיקרוסקופית. קצב לכידת המתכות התאמה למודל שבו ההיצמדות נשלטת על ידי אינטראקציות בין היונים לאתרים ספציפיים על המשטח, ולא על ידי דיפוזיה פשוטה בלבד. טביעות אצבע ספקטרוסקופיות הראו שקבוצות משטח מסוימות, כגון אלה המכילות חמצן, השתנו בנוכחות מתכות, דבר שמצביע על שילוב של משיכה אלקטרוסטטית, החלפת יונים על המשטח וקשרים דמויי מימן. החום סייע בתהליך: טמפרטורות גבוהות יותר הפכו בדרך כלל את הספיחה ליותר מועדפת, וניתוח תרמודינמי הצביע על כך שההיקשרות היא ספונטנית וקולטת חום במידה מתונה. אפילו לאחר מספר מחזורי טעינה ושטיפה כימית, הביוצ'ר שמר על רוב יכולתו ללכוד מתכות, במיוחד קדמיום, מה שמרמז על אפשרות שימוש מעשי חוזר.

חוסן במציאות ותחרות יונית

מי שפכים תעשייתיים נדיר שהם מכילים זיהום יחיד, ולכן המחקר בחן גם כיצד יונים נפוצים אחרים, כמו סידן, מגנזיום, ניטרט וסולפט, משפיעים על הביצועים. מינים אלה התחרו עם קדמיום וכרום על המקום והמטען על משטח הביוצ'ר, והפחיתו במידה מסוימת את ההסרה. עם זאת, חומר גרעיני התירס עדיין הסיר חלק משמעותי מהמתכות המטרה, מה שמרמז שהוא יכול לפעול בתמיסות מורכבות מהעולם האמיתי ולא רק בתנאי מעבדה אידיאליים. השפעת היונים הרקעיים הללו גם עזרה לאשר שדחיפה על בסיס מטען והחלפת יונים הם מרכזיים בפעולת המערכת.

דרך פשוטה למים נקיים יותר

בסך הכל, העבודה מראה שניתן להפוך תוצר חקלאי שופע לחומר יעיל וזול לניקוי מים מזוהמים במתכות עקשניות ורעילות במיוחד. מבלי להיעזר בהפעלה כימית יקרה או בעיבוד טכנולוגי מתקדם, ביוצ'ר מתירס משלב מבנה נקבובי עם משטח פעיל כימית שקושר קדמיום וכרום בעוצמה בתנאים ריאליסטיים. עבור קהילות המתמודדות גם עם פסולת חקלאית וגם עם שפכים מזוהמים, סוג חומר זה מציע מסלול מבטיח לטיפול במים מקומי ובר-קיימא.

ציטוט: Din, S.U., Al-Ahmary, K.M., Al-Mhyawi, S.R. et al. Sustainable removal of Cd(II) and Cr(VI) from aqueous solution via agro-waste derived biochar. Sci Rep 16, 9792 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40608-1

מילות מפתח: ביוצ'ר, גרגירי תירס, הסרת מתכות כבדות, טיפול במי שפכים, ספיג בר קיימא