שיפור ואופטימיזציה להסרה יעילה של יוני ניקל בפחם פעיל מותאם

מדוע ניקוי מתכות מן המים חשוב

ניקל משמש באופן נרחב לייצור סוללות, אלקטרוניקה וציפויי מתכת מבריקים — אך כשניקל דולף אל נהרות ומי תהום הוא הופך לרעל ממושך. הוא יכול לפגוע באיברים, לשבש DNA ולהצטבר בדגים ובגידולים שאנשים צורכים. מפעלים רבים מתקשים להסיר ניקל מומס ממי השפכים ביעילות ובעלות נמוכה. המחקר הזה בוחן חומר סינון זול וניתן לשחזור, המיוצר מפחם פעיל שעבר טיפול מיוחד כדי לקשור יוני ניקל בעוצמה רבה יותר, ומציע דרך מעשית להגן על מי שתייה והסביבה.

הפיכת פחם שכיח לספוג חכם יותר

החוקרים התחילו מפחם פעיל מסחרי, פחם פורי שכבר משמש במסננים רבים. באמצעות טיפול בתמיסה הידועה כפתרון פנטון — מי חמצן ומלח ברזל במים חומציים — הם חתרו וחמצנו את המשטח. תהליך זה יצר את מה שהם קוראים לו פחם פעיל מותאם, או MAC, שיש לו שטח פנים פנימי גדול יותר והרבה קבוצות כימיות המכילות חמצן. קבוצות אלה פועלות כמו ווים זעירים היכולים להיאחז ביונים מומסים. בדיקות באמצעות ספקטרוסקופיית אינפרא‑אדום, ספיחת גז ומיקרוסקופ אלקטרונים אישרו שהחומר החדש פיתח מבנה highly porous, בסגנון ספוג עם תכונות בננו־קנה ואתרי תגובה רבים.

מציאת המתכון הטוב ביותר ללכידת ניקל

לא מספיק שיהיה חומר טוב; גם הדרך שבה משתמשים בו במים חשובה. הצוות שינה באופן שיטתי ארבעה תנאים מרכזיים: משך זמן המגע בין המים ל‑MAC, חומציות המים (pH), כמות ה‑MAC הנמצאת במים ועומס הניקל ההתחלתי. באמצעות גישה סטטיסטית שנקראת מתודולוגיית משטח תגובה הם ערכו 54 ניסויים נבחרים בקפידה ובנו מודל מתמטי שחוזה כמה ניקל יוסר תחת כל שילוב של התנאים הללו. המודל התאמה היטב למדידות והראה שכמות ה‑MAC הנמצאת לליטר מים היא הגורם החשוב ביותר, ואחריו ריכוז הניקל ההתחלתי. התנאים הטובים ביותר התגלו כמים מאוד חומציים (pH 1), משך מגע של 150 דקות, מנה יחסית קטנה של MAC של 0.2 גרם לליטר וריכוז ניקל של 125 מיליגרם לליטר.

כיצד הניקל נשאר בתוך המסנן

כדי להבין מה קורה ברמה המיקרוסקופית, החוקרים עקבו אחרי קצב קליטת הניקל וכיצד הוא התפלג על משטח ה‑MAC. הנתונים התלוים בזמן התאימו לסוג של מודל קינטי המצביע על "כימיספציה" — כלומר הניקל יוצר קשרים חזקים ומפורשים יותר מאשר משיכה פיזית חלשה. ניסויים באיזון הראו שהתנהגות הלכידה תואמת יצירת שכבה בודדת בעיקר על סוגים שונים של אתרים בתוך הנקבובים. קו ניתוח שלישי הציע כי הקשרים מעורבים עם חילוף יונים ואינטראקציות אלקטרוסטטיות, שבהן יוני הניקל מחליפים מקומות עם יונים טעונים על משטח הפחם. יחד, הממצאים מציירים תמונה של נעילה כימית מסודרת של הניקל במקום הדבקה מקרית בלבד.

שימוש חוזר במסנן וחישוב העלות

כל טיפול מעשי חייב להיות משתלם וניתן לשחזור. הצוות עבר חמש סבבי לכידת ניקל ושטיפה בחומצה של ה‑MAC. למרות שהביצועים ירדו במעט, החומר עדיין הסיר את רוב הניקל לאחר שימושים חוזרים, כשהוא שומר על כ־85% מהקיבולת המקורית שלו. ניתוח עלות פשוט, מבוסס על מחירים מקומיים של הפחם והכימיקלים וכן חשמל לערבוב, הראה שהפקת קילוגרם אחד של MAC עולה פחות מדולר אמריקאי — זול יותר מרבים מהפחמים הפעילים המסחריים. המחיר הנמוך הזה, יחד עם ביצועים חזקים, הופכים אותו לאטרקטיבי עבור מתקני טיפול במי שפכים בהיקפים גדולים.

מה משמעות הדבר עבור מים בטוחים יותר

במילים פשוטות, המחקר מראה כי צורת פחם זולה ומותאמת יכולה למשוך כמויות גדולות של ניקל רעיל מן המים, שוב ושוב, באמצעות צעדי טיפול פשוטים. על‑ידי כיוונון תנאים כגון חומציות, זמן מגע וכמות החומר, מהנדסים יכולים להשיג רמות הסרה גבוהות מאוד עם כמויות יחסית קטנות של MAC. מאחר שהחומר זול, עמיד בזרמים חומציים קשים וניתן לשיחזור, הוא מציע אופציה אטרקטיבית למפעלים ולעיריות המעוניינות לצמצם זיהום מתכות כבדות לפני שזה מגיע לנהרות, לקרקע ולשרשרת המזון.

ציטוט: Abdel-Moniem, S.M., Mohammed, R., Ibrahim, H.S. et al. Enhancing and optimization for efficient removal of nickel ions by modified activated carbon. Sci Rep 16, 12700 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46490-1

מילות מפתח: הסרת ניקל, פחם פעיל, טיפול במי שפכים, מתכות כבדות, טיהור מים