סינתזה והערכה של ננו-קומפוזיטים חדשים להסרת יוני אבץ מתמיסות מימיות

מדוע ניקוי מתכות מהמים חשוב

מפעלים ומוצרים יום־יומיים משחררים שאריות של מתכות לנהרות ולמי שפכים. אבץ הוא אחת מהמתכות הללו: הגוף שלנו זקוק לכמויות זעירות, אך במינונים גבוהים הוא עלול להזיק לדגים, לצמחים ולבני אדם. המחקר הזה בוחן חומר חדש פשוט יחסית שיכול לספוח עודפי אבץ מהמים, ובכך לעזור להפוך מתקני טיפול ליעילים וזולים יותר.

ספוג חדש למתכות במים

החוקרים ייצרו חלקיקים זעירים המבצעים תפקיד של ספוג ליוני אבץ במים. החלקיקים הם תערובת של פחמת בריליום (BaCO3), אלומינאט בריליום (BaAl2O4) וכמות קטנה של פחמן, כולם מותכים יחד לננו־קומפוזיט. באמצעות שיטת סול–ג'ל של פקיני (Pechini) פשוטה יחסית, הם חיממו את החומר ל־600 °C או 800 °C, ויצרו שתי גרסאות שכונו BA600 ו־BA800. שתיהן נבדקו בקפידה בעזרת שימור קרני רנטגן ומיקרוסקופים אלקטרוניים כדי לחשוף אילו גבישים נוצרו, מהו גודל החלקיקים ואיך מסודרת פני השטח שלהם.

כיצד המבנה מעצב את הביצועים

שני הננו־קומפוזיטים נמצאו כבעלי מבנים ופרטיות שונות פנימית. ל־BA600 היו גבישים קטנים יותר, שטח פנים גדול יותר ונפח נקבים גבוה יותר, בעוד ש־BA800 הציגה גרגרים גדולים ומעוצבים יותר אך פחות נקבים נגישים. מכיוון שהסרת אבץ מתרחשת כאשר יוני האבץ נדבקים לאתרים פעילים על פני השטח, ההבדלים הללו היו מהותיים. ניסויים הראו ש־BA600 יכול לקלוט עד כ־124 מיליגרם אבץ לגרם חומר, בעוד ש־BA800 הגיע לכ־91 מיליגרם לגרם. המדידות של הצוות הצביעו על כך שהאבץ לא רק יושב רפויות על פני השטח; במקום זאת הוא יוצר קשירות חזקות יותר הדומות לקשרים כימיים עם קבוצות עשירות בחמצן על החלקיקים.

מציאת נקודת המקסימום להסרת אבץ

כדי להבין איך להשתמש בחומר בצורה הטובה ביותר, המדענים שינו תנאים כמו חומציות, זמן מגע, טמפרטורה ומינון. הסרת האבץ השתפרה בצורה חדה ככל שה־pH של המים עלה מחומצי מאוד לכיוון ניטרלי, והיא התייצבה סביב pH 6, לפני שהאבץ מתחיל להיווצר כתרכובות הידרוקסיד מוצקות. BA600 הסיר אבץ בקצב מהיר יותר מ־BA800, והגיע לביצועים יציבים בכשעה לעומת 80 דקות. טמפרטורות נמוכות העדיפו את ההסרה, מה שמעיד שהתהליך פולט חום ופועל טוב יותר במים קרים יותר. כאשר החוקרים התוו מודלים של האופן שבו האבץ מכסה את פני השטח, ההתנהגות התאימה לשכבה יחידה ואחידה של יוני אבץ, תואמת לאתרים מוגדרים המתמלאים עד רוויה.

שימוש חוזר, מי שפכים אמיתיים ותחרות יונית

הצוות גם בדק האם החומר ימלא את תפקידו בתנאים מציאותיים. חלקיקים טעונים באבץ נשטפו בחומצת מלח, אשר שלפה כמעט את כל האבץ מבלי לפגוע בחומר עצמו. לאחר חמישה מחזורי שימוש ורגנרציה, BA600 שמר עדיין על כמעט 70% מיעילות הסרתו המקורית, ו־BA800 שמר על כ־45%, מה שמעיד על שימושיות מעשית. בנוכחות מרכיבים נפוצים במים כגון נתרן, סידן או סולפט, הסרת האבץ ירדה במעט, בעוד מתכות אחרות כמו נחושת וניקל התחרו בעוצמה רבה יותר. למרות זאת, BA600 נשארה האפשרות הסלקטיבית והעמידה יותר. גם במי שפכים מעבדתיים אמיתיים, המכילים מלחים וחומר אורגני רבים, החומרים עדיין לקחו כמויות מרשימות של אבץ, מעט פחות מאשר במים טהורים.

מה משמעות הדבר למים נקיים יותר

בסך הכל המחקר מראה שחלקיקים רב־מרכיביים מעוצבים בקפידה יכולים ללכוד אבץ בצורה יעילה ממים מזוהמים באמצעות שיטת ייצור יחסית פשוטה ובעלת שליטה. אף על פי שחלק מהחומרים המתקדמים יותר יכולים לקלוט אפילו יותר אבץ, ננו־קומפוזיט ה־BaCO3/BaAl2O4/C החדש בולט בשילוב של ביצועים מוצקים, סינתזה קלה ויכולת רגנרציה ושימוש חוזר. במונחים פרקטיים, BA600 במיוחד עשוי לסייע למערכות טיפול עתידיות להסיר רמות מזיקות של אבץ מזיהומי תעשייה ושפכי מעבדות, ולהפחית סיכונים למערכות אקולוגיות ולבריאות הציבור.

ציטוט: Al-Kadhi, N.S., Aljlil, S.A., El-Feky, H.H. et al. Synthesis and evaluation of novel nanocomposites for removal of zinc ions from aqueous solutions. Sci Rep 16, 13889 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-51234-2

מילות מפתח: הסרת אבץ, סופח ננו-קומפוזיט, טיפול במי שופכין, מתכות כבדות, טיהור מים