Извлечение тория из водной среды с помощью кукурузной початки, модифицированной лимонной кислотой: характеристика, кинетика, термодинамика и механизм адсорбции

Преобразование сельскохозяйственных отходов в очиститель воды

Торий — радиоактивный металл, который используется в высокотехнологичных отраслях и ядерных исследованиях, но при попадании в воду представляет собой экологическую и санитарную проблему. Одновременно после уборки огромные количества кукурузных початков сжигаются или выбрасываются, что усугубляет загрязнение. В этом исследовании предложен изящный способ решить обе проблемы сразу: с помощью простой химии превратить оставшиеся кукурузные початки в недорогой материал, способный высокоэффективно извлекать торий из воды.

Почему торий в воде важен

Торий естественно встречается в горных породах и минералах и ценен для применения от продвинутых сплавов до ядерной медицины. Однако его добыча и переработка могут порождать жидкие отходы с торием и другими металлами. Традиционные методы очистки часто требуют дорогостоящих синтетических материалов или сложных процессов. Идея этой работы — заменить такие материалы «биосорбентом», изготовленным из сельскохозяйственных отходов, предложив более дешевый и устойчивый путь улавливания тория до его попадания в окружающую среду.

Химическая трансформация кукурузных початков

Исследователи собрали выброшенные кукурузные початки на египетских полях и измельчили их в тонкий порошок. Затем порошок замачивали в подогретом растворе лимонной кислоты — той самой мягкой кислоты, что содержится в лимонах — и нагревали для запуска реакции. Эта обработка изменила поверхность частиц початка, добавив многочисленные кислородсодержащие группы, которые могут связывать ионы металлов. Микроскопические и поверхностные анализы показали, что обработанный материал, названный модифицированной кукурузной початкой, стал гораздо более шероховатым и пористым, с почти в семь раз большей площадью поверхности по сравнению с сырой початкой, что создало гораздо больше мест для адсорбции тория.

Насколько эффективно новый материал захватывает торий

Для оценки эффективности команда смешивала небольшие количества модифицированной кукурузной початки с водой, содержащей растворенный торий, в разных условиях. Было установлено, что кислотность играет ключевую роль: при слабой кислотности, около pH 4, частицы на основе кукурузной початки имели отрицательный заряд и сильно притягивали положительно заряженные ионы тория. В этих условиях материал удалял около 90 процентов тория всего за 25 минут, используя лишь один грамм на литр воды. Эксперименты при разных концентрациях тория показали, что поверхность заполняется упорядоченно в один слой, а расчеты указали на высокую максимальную емкость загрузки — почти 200 миллиграммов тория на грамм адсорбента — что сопоставимо или лучше многих других природных материалов, описанных в литературе.

Что происходит на микроскопическом уровне

Современные спектроскопические методы дали представление о процессе связывания. Добавленные карбоксильные и гидроксильные группы на модифицированной кукурузной початке изменили свои электронные сигнатуры после присоединения тория, что свидетельствует о формировании истинных химических связей, а не о простом слабом удержании ионов на поверхности. Зависимость поглощения от времени соответствовала кинетической модели, обычно связанной с хемосорбцией, что означает, что торий захватывается за счет специфических, относительно прочных взаимодействий. Термо-динамический анализ показал, что процесс самопроизволен и в небольшой степени благоприятствует более высоким температурам, что указывает на возможность улучшения удаления при легком нагреве.

Использование, освобождение и повторное применение фильтра на основе кукурузы

Для любой практической технологии очистки важна возможность извлечения как загрязнителя, так и самого фильтрующего материала. В этом случае порошок кукурузной початки, насыщенный торием, промывали разбавленным раствором азотной кислоты, который вернул в раствор около 94 процентов захваченного тория для потенциального извлечения. Тот же самый образец модифицированной кукурузной початки затем повторно использовали несколько раз в свежих растворах тория. Даже после пяти циклов адсорбции–десорбции материал по-прежнему удалял более 80 процентов тория, показывая, что он прочный и может быть переработан без существенной потери эффективности.

От полевого отхода к полезному ресурсу

Проще говоря, исследование демонстрирует, что дешевый и обильный побочный продукт сельского хозяйства можно превратить в эффективную «губку» для радиоактивного металла в воде с помощью обычной пищевой кислоты. Обработанные кукурузные початки быстро и прочно захватывают торий, хорошо работают при слабокислых условиях и могут быть восстановлены мягким кислотным промывом, что делает их перспективными для очистки промышленных или горнопромышленных стоков. Такой подход превращает то, что прежде было источником дыма и отходов, в практический инструмент для защиты водных ресурсов и обеспечения безопасного восстановления ценного тория.

Цитирование: 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

Ключевые слова: удаление тория, адсорбент из кукурузной початки, очистка сточных вод, биосорбция, модификация лимонной кислотой