Wydzielanie toru z roztworu wodnego przy użyciu kolby kukurydzy modyfikowanej kwasem cytrynowym: charakterystyka, kinetyka, termodynamika i mechanizm adsorpcji

Przemiana odpadu rolniczego w oczyszczacz wody

Tor jest metalem radioaktywnym wykorzystywanym w zaawansowanych technologiach i badaniach jądrowych, ale gdy przedostaje się do wód, staje się problemem środowiskowym i zdrowotnym. Równocześnie wielkie ilości kolb kukurydzy po zbiorach są spalane lub wyrzucane, co przyczynia się do zanieczyszczeń. Niniejsze badanie pokazuje eleganckie rozwiązanie obu problemów jednocześnie: prostą chemią zamienić pozostałe kolby kukurydzy w tani materiał zdolny skutecznie usuwać tor z wody.

Dlaczego tor w wodzie ma znaczenie

Tor występuje naturalnie w skałach i minerałach i jest cenny do zastosowań od zaawansowanych stopów po medycynę nuklearną. Jego wydobycie i przetwarzanie mogą jednak generować odpady ciekłe zawierające tor i inne metale. Konwencjonalne metody oczyszczania często opierają się na kosztownych materiałach syntetycznych lub złożonych procesach. Celem tej pracy jest zastąpienie takich materiałów „biosorbentem” z odpadów rolniczych, oferując tańszą i bardziej zrównoważoną drogę do wychwytywania toru, zanim trafi do środowiska.

Nadanie kolbom chemicznej metamorfozy

Naukowcy zebrali porzucone kolby kukurydzy z egipskich pól i zmielili je na drobny proszek. Następnie namaczali ten proszek w ciepłym roztworze kwasu cytrynowego — tego samego łagodnego kwasu, który występuje w cytrynach — i podgrzewali, by wywołać reakcję. Obróbka zmieniła powierzchnię cząstek kolby, dodając wiele grup bogatych w tlen, które mogą wiązać jony metali. Mikroskopia i analizy powierzchni wykazały, że materiał poddany obróbce, nazwany zmodyfikowaną kolbą kukurydzy, stał się znacznie bardziej chropowaty i porowaty, z prawie siedmiokrotnie większą powierzchnią niż surowa kolba, co stworzyło znacznie więcej miejsc, gdzie tor może się osadzać.

Jak dobrze nowy materiał łapie tor

Aby ocenić wydajność, zespół mieszał małe ilości zmodyfikowanej kolby kukurydzy z wodą zawierającą rozpuszczony tor w różnych warunkach. Okazało się, że kluczowe znaczenie ma kwasowość: przy lekko kwaśnym pH około 4 cząstki na bazie kolby miały ładunek ujemny i silnie przyciągały dodatnio naładowane jony toru. W tych warunkach materiał usunął około 90 procent toru w zaledwie 25 minut, stosując tylko jeden gram na litr wody. Eksperymenty przeprowadzone dla różnych stężeń toru pokazały, że powierzchnia napełnia się w uporządkowanej, jednowarstwowej strukturze, a obliczenia wskazały wysoką maksymalną pojemność ładunkową prawie 200 miligramów toru na gram adsorbentu — konkurencyjną lub przewyższającą wiele innych naturalnych materiałów opisanych w literaturze.

Co dzieje się na poziomie mikroskopowym

Zaawansowane techniki spektroskopowe pozwoliły zajrzeć w proces wiązania. Dodane grupy karboksylowe i hydroksylowe na zmodyfikowanej kolbie zmieniły swoje sygnatury elektronowe po związaniu toru, co jest dowodem, że tworzą one prawdziwe wiązania chemiczne, a nie tylko luźne przytrzymywanie jonów na powierzchni. Zmiany w tempie pobierania odpowiadały modelowi kinetycznemu zwykle kojarzonemu z chemisorpcją, co oznacza, że tor jest wychwytywany poprzez specyficzne, stosunkowo silne interakcje. Analiza termodynamiczna wykazała, że proces jest spontaniczny i nieco preferuje wyższe temperatury, co sugeruje, że łagodne podgrzewanie może dodatkowo poprawić usuwanie.

Użytkowanie, uwalnianie i ponowne użycie filtra z kolby

Dla każdej praktycznej technologii oczyszczania istotna jest możliwość odzyskania zarówno zanieczyszczenia, jak i materiału filtrującego. W tym badaniu proszek kolby kukurydzy nasycony torem przepłukano rozcieńczonym roztworem kwasu azotowego, który uwolnił około 94 procent związanego toru z powrotem do postaci ciekłej do potencjalnego odzysku. Ta sama partia zmodyfikowanej kolby była następnie wielokrotnie używana w świeżych roztworach toru. Nawet po pięciu cyklach adsorpcji–desorpcji materiał nadal usuwał ponad 80 procent toru, co pokazuje, że jest trwały i może być ponownie wykorzystywany bez istotnej utraty wydajności.

Od odpadu polowego do użytecznego surowca

Mówiąc najprościej, badanie wykazuje, że tani i powszechny produkt uboczny rolnictwa można przekształcić w efektywną „gąbkę” na metal radioaktywny w wodzie przy użyciu powszechnego, spożywczego kwasu. Obróbione kolby szybko i mocno wiążą tor, działają dobrze w łagodnie kwaśnych warunkach i można je regenerować łagodnym płukaniem kwasem, co czyni je obiecującymi do oczyszczania ścieków przemysłowych lub górniczych. Podejście to zmienia to, co kiedyś było źródłem dymu i odpadów, w praktyczne narzędzie ochrony zasobów wodnych przy jednoczesnym umożliwieniu bezpieczniejszego odzysku cennego toru.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: usuwanie toru, adsorbent z kolb kukurydzy, oczyszczanie ścieków, biosorpcja, modyfikacja kwasem cytrynowym