Эффективное удаление Cs+ и Sr2+ из воды с помощью титанатных нанотрубок, встраиваемых в макромолекулы альгината

Почему важно очищать радиоактивную воду

После ядерных аварий, медицинских процедур или во время нормальной работы электростанций в воду могут попасть следовые количества долгоживущих радиоактивных металлов. Два из наиболее опасных — цезий и стронций — способны накапливаться в мягких тканях и костях при попадании в пищевую цепочку. В этом исследовании изучается перспективный способ быстро и эффективно захватывать эти опасные металлы с помощью специально созданных минеральных наноструктур, заключённых в биоразлагаемый желатиноподобный полимер.

Крошечные трубки, которые действуют как губки для металлов

Исследователи сосредоточились на титанатных нанотрубках — полых, игловидных частицах из минерала на основе титана. Благодаря экстремально малым размерам и очень большой удельной поверхности эти трубки предоставляют множество мест, где могут адсорбироваться ионы металлов. Команда синтезировала нанотрубки в щелочном растворе при повышенной температуре, начиная с обычного порошка диоксида титана. Испытания показали, что полученные трубки стабильны, однородны по размеру и покрыты химическими группами, способными захватывать положительно заряженные ионы, такие как цезий (Cs⁺) и стронций (Sr²⁺).

От рассыпного порошка к удобным в обращении шарикам

Хотя чистые нанотрубки превосходно захватывают металлы, их трудно собирать из обработанной воды из‑за очень мелкой дисперсности. Чтобы решить эту проблему, учёные встроили нанотрубки в шарики из альгината — природного полимера, извлекаемого из бурых водорослей и уже применяемого в пищевой и медицинской промышленности. При контакте альгината с ионами кальция в воде он превращается в плотные гелевые шарики. Смешав нанотрубки с альгинатом перед этой стадией, команда получила композитный материал (обозначенный как T/G), в котором нанотрубки заперты внутри шаров диаметром в миллиметры — их легко вычерпывать или укладывать в фильтры.

Насколько хорошо новые материалы очищают воду

В лабораторных испытаниях порошок нанотрубок очень быстро удалял цезий и стронций из воды, достигая почти максимального захвата уже через 15–30 минут. В слабо щелочной среде (около pH 8) и при умеренной загрузке трубки удаляли примерно 90% цезия и 97% стронция из разреженных растворов. Детальное моделирование ёмкости материала показало, что трубки обеспечивают сочетание типов поверхностей, позволяющее формироваться нескольким слоям ионов, особенно для стронция. Когда нанотрубки были зафиксированы внутри шариков из альгината, общая эффективность падала до примерно 45–70% для цезия и 70–90% для стронция, в основном потому, что в каждом шарике содержится меньше активной поверхности нанотрубок по сравнению с рассыпным порошком. Зато шарики значительно упростили обращение с материалом и его отделение от воды.

Что происходит на атомном уровне

Измерения материалов до и после использования выявили многоступенчатый процесс захвата. Сначала поверхности нанотрубок несут негативно поляризованные кислородсодержащие группы, которые притягивают положительно заряженные ионы цезия и стронция. Затем эти ионы образуют более прочные связи с богатыми кислородом участками на поверхности, формируя стабильные комплексы. Наконец, часть поступающих цезия и стронция вытесняет ионы натрия, естественно присутствующие внутри титанатной структуры, фактически производя ионный обмен. Такое сочетание электростатического притяжения, специфического связывания на поверхности и ионного обмена объясняет как быструю реакцию, так и высокую ёмкость нанотрубок, особенно в отношении стронция.

Восстановление фильтров и перспективы

Ключевой вопрос для любой технологии очистки — можно ли её использовать многократно. Команда показала, что и чистые нанотрубки, и шарики на базе альгината можно регенерировать промывкой слабой кислотой для освобождения захваченных металлов, затем ополаскивать и восстанавливать свойства. После пяти таких циклов нанотрубки сохранили более 90% исходной эффективности, а шарики — более 85%, при этом сохранялась структурная целостность. Для практического применения авторы отмечают, что соотношение нанотрубок и альгината в шариках нужно оптимизировать, а материалы необходимо испытать на реальных сточных водах, содержащих множество конкурирующих ионов. Тем не менее работа показывает, что титанатные нанотрубки, особенно в сочетании с простыми биополимерными шариками, являются перспективными кандидатами для масштабируемых и многократно используемых систем очистки воды от радиоактивного цезия и стронция.

Цитирование: 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

Ключевые слова: очистка радиоактивной воды, удаление цезия, удаление стронция, титанатные нанотрубки, шарики из альгината