חילוץ תוריום ממערכת מימית באמצעות קליפת תירס מותאמת בחומצת לימון: אפיון, קינטיקה, תרמודינמיקה ומנגנון הספיחה

הפיכת פסולת חקלאית לנקייה מים

תוריום הוא מתכת רדיואקטיבית המשמשת בתעשיות טכנולוגיות מתקדמות ובמחקר גרעיני, אך כאשר היא דולפת למים היא הופכת לדאגה סביבתית ובריאותית. במקביל, ערימות גדולות של קליפות תירס נשרפות או נפטרים מהן לאחר הקציר, ותורמות לזיהום. המחקר בוחן דרך אלגנטית לטפל בשתי הבעיות יחד: שימוש בכימיה פשוטה כדי להפוך קליפות תירס שנותרו לחומר זול היכול לספוח תוריום מהמים ביעילות גבוהה.

מדוע תוריום במים חשוב

תוריום מצוי בטבע בסלעים ומינרלים וערכו נובע משימושים הנעים מאליאים מתקדמים עד לרפואה גרעינית. עם זאת, חילוץ ועיבוד של תוריום עלול לייצר שפכים נוזליים המכילים תוריום ומתכות נוספות. שיטות ניקוי קונבנציונליות לעתים מסתמכות על חומרים סינתטיים יקרים או תהליכים מורכבים. הרעיון מאחורי עבודה זו הוא להחליף חומרים כאלה ב"ביוספחן" העשוי מפסולת חקלאית, המציע דרך זולה ובר-קיימא יותר ללכוד תוריום לפני שיגיע לסביבה.

מתיחת פנים כימית לקליפות התירס

החוקרים אספו קליפות תירס משומשות משדות מצריים וטחנו אותן לאבקה דקה. לאחר מכן הם השרו את האבקה בתמיסה חמימה של חומצת לימון — אותה חומצה עדינה המצויה בלימונים — וחיממו כדי לעורר תגובה. טיפול זה שינה את משטח חלקיקי קלף התירס, והוסיף קבוצות עשירות בחמצן שיכולות להתחבר ליוני מתכת. מיקרוסקופיה וניתוחים של המשטח הראו שהחומר המעובד, שנקרא קליפת תירס מותאמת, הפך גס יותר וסופג יותר, עם שטח פנים כמעט פי שבעה בהשוואה לקליפה הגולמית, ויצר הרבה יותר אתרים שבהם תוריום יכול להידבק.

כמה טוב החומר החדש תופס תוריום

כדי לבדוק ביצועים, הצוות ערבב כמויות קטנות של קליפת תירס מותאמת במים המכילים תוריום מומס בתנאים שונים. הם מצאו שהחומציות היא גורם מרכזי: ב-pH מעט חומצי של כ־4, חלקיקי התירס נטו להיטען לשלילה ומשכו בחוזקה את יוני התוריום החיוביים. בתנאים אלה החומר הסיר כ־90 אחוז מהתוריום בתוך 25 דקות בלבד באמצעות גרם אחד לכל ליטר מים. ניסויים בטווחי ריכוזים שונים של תוריום הראו שהמשטח מתמלא בשכבה סדירה ובודדת, וחישובים הצביעו על קיבולת עכירה מרבית גבוהה של כמעט 200 מיליגרם תוריום לגרם ספחן — תחרותית או טובה יותר מרבים מהחומרים הטבעיים שדווחו.

מה קורה ברמה המיקרוסקופית

כלים ספקטרוסקופיים מתקדמים העניקו הצצה לתהליך הקשירה. קבוצות הקרבוקסיל וההידרוקסיל שנוספו על קליפת התירס המותאמת שינו את חתימותיהן האלקטרוניות לאחר שהותקן תוריום, עדות לכך שהן יוצרות קשרים כימיים אמיתיים ולא מחזיקות יונים במשטח באופן רופף בלבד. הדרך שבה הספיחה השתנתה עם הזמן התאימה למודל קינטי המאפיין בדרך כלל כימוספיחה, כלומר התוריום נתפס באמצעות אינטראקציות ספציפיות וחזקות יחסית. ניתוח תרמודינמי הראה שהתהליך ספונטני ומעדיף במידה קלה טמפרטורות גבוהות יותר, מה שמרמז שחימום מתון יכול לשפר עוד את ההסרה.

שימוש, שחרור ומחזור של המסנן מבוסס התירס

בטכנולוגיית ניקוי מעשית, היכולת לשחזר הן את המזהם והן את חומר המסנן היא חיונית. כאן אבקת קליפת התירס העמוסה בתוריום נשטפה בתמיסת חומצה חנקתית מדוללת, ששיחררה כ־94 אחוז מהתוריום שצורף בחזרה לצורת נוזל לצורך שיקום פוטנציאלי. אותה אצווה של קליפת תירס מותאמת שומשה מספר פעמים שוב ושוב בתמיסות תוריום טריות. גם אחרי חמש מחזורים של ספיחה–דספיחה היא עדיין הסירה למעלה מ־80 אחוז מהתוריום, דבר המראה שהחומר עמיד וניתן למיחזור ללא אובדן ביצועים משמעותי.

מפסולת שדה למשאב שימושי

במונחים פשוטים, המחקר מראה שמוצר לוואי חקלאי זול ושפעי ניתן להפוך ל"ספוג" יעיל למתכת רדיואקטיבית במים באמצעות חומצה נפוצה ובתקני מזון. קליפות התירס המטופלות תופסות תוריום במהירות ובחוזקה, פועלות היטב בתנאים מעט חומציים וניתן לשחזרן בשטיפה חומצית עדינה, מה שהופך אותן למבטיחות לניקוי שפכים תעשייתיים או מכרות. גישה זו הופכת מה שהיה מקור עשן ופסולת לכלי מעשי להגנה על משאבי מים תוך אפשרות לשיקום בטוח יותר של תוריום יקר ערך.

ציטוט: 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

מילות מפתח: הסרת תוריום, ספחן מקליפת תירס, טיפול בשפכים, ביוספיחה, שינוי בחומצת לימון