Utvinning av torium från vattensystem med citronsyramodifierad majskolv: karaktärisering, kinetik, termodynamik och adsorptionsmekanism

Att förvandla jordbruksavfall till ett vattenrenare

Torium är en radioaktiv metall som används i högteknologiska industrier och kärnforskning, men när den läcker ut i vatten blir den en miljö- och hälsofara. Samtidigt bränns eller kastas stora mängder majskolvar bort efter skörd, vilket bidrar till föroreningar. Denna studie undersöker ett elegant sätt att ta itu med båda problemen samtidigt: att med hjälp av enkel kemi förvandla överblivna majskolvar till ett lågkostnadsmaterial som effektivt kan avlägsna torium från vatten.

Varför torium i vatten spelar roll

Torium förekommer naturligt i bergarter och mineraler och är användbart för allt från avancerade legeringar till nukleär medicin. Utvinning och bearbetning kan dock generera flytande avfall som innehåller torium och andra metaller. Konventionella reningsmetoder bygger ofta på kostsamma syntetiska material eller komplicerade processer. Idén i detta arbete är att ersätta sådana material med en ”biosorbent” gjord av jordbruksavfall, vilket erbjuder en billigare och mer hållbar väg för att fånga upp torium innan det når miljön.

En kemisk makeover för majskolvar

Forskarna samlade kasserade majskolvar från egyptisk åkermark och malde dem till ett fint pulver. De blötte sedan pulvret i en varm lösning av citronsyra—samma milda syra som finns i citroner—och värmde det för att utlösa en reaktion. Denna behandling förändrade ytan på majskolvs-partiklarna och tillförde många extra syre-rika grupper som kan binda metaljoner. Mikroskopi och ytanalyser visade att det behandlade materialet, kallat modifierad majskolv, blev mycket grövre och mer poröst, med nästan sju gånger större yta än den råa kolven, vilket skapade avsevärt fler platser där torium kan fästa.

Hur väl det nya materialet fångar torium

För att testa prestandan blandade teamet små mängder modifierad majskolv med vatten innehållande löst torium under olika förhållanden. De fann att surhetsgraden var avgörande: vid ett svagt surt pH kring 4 var majskolvs-partiklarna negativt laddade och attraherade starkt de positivt laddade toriumjonerna. Under dessa förhållanden avlägsnade materialet cirka 90 procent av toriumet på bara 25 minuter med endast ett gram per liter vatten. Experiment över ett intervall av toriumkoncentrationer visade att ytan fylldes på ett ordnat sätt i ett enda lager, och beräkningar indikerade en hög maximal lastkapacitet på nästan 200 milligram torium per gram adsorbent—konkurrenskraftigt med eller bättre än många andra naturliga material som rapporterats.

Vad som händer på mikroskopisk nivå

Avancerade spektroskopiska metoder gav insikt i bindningsprocessen. De tillsatta karboxyl- och hydroxylgrupperna på den modifierade majskolven förändrade sina elektroniska signaturer när torium bundit, vilket visar att de bildar verkliga kemiska bindningar snarare än att bara hålla joner löst på ytan. Hur upptaget förändrades över tid följde en kinetisk modell som vanligtvis associeras med kemisorption, vilket innebär att torium fångas genom specifika, relativt starka interaktioner. Termodynamisk analys visade att processen är spontan och i liten mån gynnas av högre temperaturer, vilket tyder på att lätt uppvärmning kan förbättra borttagningen ytterligare.

Använda, släppa och återanvända det majskolsbaserade filtret

För alla praktiska reningstekniker är förmågan att återvinna både föroreningen och filtermaterialet avgörande. Här sköljdes toriumbelastat majskolvspulver med en utspädd lösning av salpetersyra, vilket frigjorde cirka 94 procent av det fångade toriumet tillbaka i vätskeform för möjlig återvinning. Samma sats av modifierad majskolv återanvändes därefter flera gånger i friska toriumlösningar. Även efter fem adsorption–desorptionscykler avlägsnade det fortfarande över 80 procent av toriumet, vilket visar att materialet är robust och kan återvinnas utan större prestandaförlust.

Från fältavfall till användbar resurs

Enkelt uttryckt visar studien att en billig och riklig biprodukt från jordbruket kan förvandlas till en effektiv ”svamp” för radioaktiv metall i vatten med hjälp av en vanlig livsmedelsklassad syra. De behandlade majskolvarna fångar torium snabbt och starkt, fungerar bra under svagt sura förhållanden och kan regenereras med en mild syrasköljning, vilket gör dem lovande för rening av industriella eller gruvrelaterade avlopp. Detta tillvägagångssätt förvandlar vad som en gång var en källa till rök och avfall till ett praktiskt verktyg för att skydda vattenresurser samtidigt som det möjliggör säkrare återvinning av värdefullt torium.

Citering: 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

Nyckelord: borttagning av torium, adsorbent av majskolv, avloppsvattenbehandling, biosorption, modifiering med citronsyra