Skuteczne usuwanie Cs+ i Sr2+ z wody za pomocą nanorurek tytanowych zatopionych w makrocząsteczkach alginianu

Dlaczego oczyszczanie wód radioaktywnych ma znaczenie

Po wypadkach jądrowych, procedurach medycznych lub w toku normalnej pracy elektrowni niewielkie ilości długożyjących metali promieniotwórczych mogą trafić do wody. Dwa z najbardziej niepokojących pierwiastków to cez i stront, które po wejściu do łańcucha pokarmowego mogą gromadzić się w tkankach miękkich i kościach. W badaniu tym przyjrzano się obiecującemu sposobowi szybkiego i wydajnego wyłapywania tych niebezpiecznych metali przy użyciu celowo zaprojektowanych mineralnych nanostruktur otoczonych biodegradowalnym, galaretowatym polimerem.

Malutkie rurki działające jak gąbki na metale

Badacze skoncentrowali się na nanorurkach tytanowych — pustych, igłopodobnych cząstkach zbudowanych z minerału na bazie tytanu. Ponieważ te rurki są ekstremalnie małe i mają bardzo dużą powierzchnię, oferują wiele miejsc, gdzie mogą przyczepiać się jony metali. Zespół wytworzył nanorurki w wysokotemperaturowym roztworze zasadowym, zaczynając od zwykłego proszku dwutlenku tytanu. Testy wykazały, że powstałe rurki były stabilne, jednorodne rozmiarowo i pokryte grupami chemicznymi zdolnymi wiązać dodatnio naładowane jony, takie jak cez (Cs⁺) i stront (Sr²⁺).

Z luźnego proszku do łatwych w użyciu kulek

Chociaż same nanorurki świetnie pochłaniają metale, trudno je odsadzić z oczyszczonej wody, bo są bardzo drobne. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy zatopili nanorurki wewnątrz kulek z alginianu — naturalnego polimeru pozyskiwanego z brunatnych wodorostów, stosowanego już w żywności i produktach medycznych. Gdy alginian spotyka jony wapnia w wodzie, przekształca się w twarde żelowe kulki. Mieszając nanorurki z alginianem przed tym procesem, zespół otrzymał materiał kompozytowy (oznaczony jako T/G), w którym nanorurki są zamknięte w milimetrowej skali kulach, które można łatwo wyłowić lub upakować do filtrów.

Jak skuteczne są nowe materiały w oczyszczaniu wody

W testach laboratoryjnych proszek z nanorurek usuwał cez i stront z wody bardzo szybko, osiągając prawie maksymalne wychwycenie już w 15–30 minut. W łagodnie zasadowych warunkach (około pH 8) i przy umiarkowanej dawce, nanorurki usuwały około 90% cezu i 97% strontu z rozcieńczonych roztworów. Szczegółowe modelowanie pojemności materiału wykazało, że rurki oferują mieszankę typów powierzchni, co pozwala na gromadzenie się kilku warstw jonów, zwłaszcza strontu. Gdy nanorurki zostały uwięzione w kulkach alginianowych, całkowite usuwanie spadło do około 45–70% dla cezu i 70–90% dla strontu, głównie dlatego, że każda kulka zawiera mniej aktywnej powierzchni nanorurek niż luźny proszek. Jednak kulki stały się znacznie łatwiejsze w obsłudze i separacji z wody.

Co się dzieje na skali atomowej

Pomiary materiałów przed i po użyciu ujawniły wieloetapowy proces wiązania. Najpierw powierzchnie nanorurek niosą ujemnie spolaryzowane grupy tlenowe, które przyciągają dodatnio naładowane jony cezu i strontu. Następnie te jony tworzą silniejsze wiązania z bogatymi w tlen miejscami na powierzchni, tworząc stabilne kompleksy. W końcu część napływającego cezu i strontu wypiera jony sodu naturalnie obecne w strukturze tytanatu, skutecznie zamieniając je miejscami. To połączenie przyciągania elektrostatycznego, wiązania powierzchniowego i wymiany jonowej tłumaczy zarówno szybką reakcję, jak i wysoką pojemność nanorurek, zwłaszcza w przypadku strontu.

Ponowne użycie filtrów i perspektywy

Kluczowe pytanie dla każdej technologii oczyszczania to możliwość ponownego użycia. Zespół wykazał, że zarówno czyste nanorurki, jak i kulki na bazie alginianu można zregenerować poprzez przemycie ich łagodnym kwasem, aby uwolnić wychwycone metale, a następnie wypłukać i ponownie przygotować. Po pięciu takich cyklach nanorurki wciąż zachowywały ponad 90% swojej pierwotnej wydajności, a kulki ponad 85%, pozostając strukturalnie nienaruszone. Dla zastosowań praktycznych autorzy zauważają, że stosunek nanorurek do alginianu w kulkach musi być zoptymalizowany, a materiały przetestowane w rzeczywistych ściekach zawierających wiele konkurencyjnych jonów. Mimo to praca sugeruje, że nanorurki tytanowe, szczególnie w połączeniu z prostymi biopolimerowymi kulkami, są silnymi kandydatami do skalowalnych, wielokrotnego użytku systemów do oczyszczania wody z radioaktywnego cezu i strontu.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: oczyszczanie wód radioaktywnych, usuwanie cezu, usuwanie strontu, nanorurki tytanowe, kulki alginianowe