Study on the Removal of Cesium from Simulated Seawater using Ammonium Phosphomolybdate (AMP) and Natural Zeolite Alginate Microcapsules

عندما تعمل المنشأة النووية، أو عند إخراجها من الخدمة، فإنها تنتج مياهاً ملوثة بعناصر مشعة. ومن بين هذه العناصر، يمثل السيزيوم مصدر قلق خاص؛ فهو يذوب بسهء في الماء، ويتحرك بسرعة عبر البيئة، ويبقى مشعاً لعقود. إن إزالته أمر حيوي للسلامة، لكنها تصبح لغزاً صعباً عندما تكون تلك المياه مياهاً مالحة. فمياه البحر محملة بالأملاح الشائعة مثل الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم والمغنيسيوم. هذه الأيونات غير الضارة تكتظ وتزاحم السيزيوم المشع، مما يجعل من الصعب على مواد التنظيف القياسية الإمساك بالعنصر الخطير. لقد عرف العلماء منذ زمن طويل أن بعض المعادن يمكن أن تعمل مثل المغناطيس للسيزيوم، حيث تسحبه من الماء مع تجاهل الملح. ومع ذلك، فإن تحويل هذه المساحيق المعدنية الناعمة إلى شيء عملي لنهر جارٍ أو لمحطة معالجة أمر صعب؛ فالمسحوق ناعم جداً بحيث يصعب ترشيحه بسهولة، كما أن الملح الموجود في الماء غالباً ما يضعف قدرتها على التمسك.

لقد سعى باحثون في تايوان لحل هذه المشكلة المحددة من خلال اختبار مادتين مختلفتين تعتمدان على المعادن، صُممتا للعمل داخل بيئة مياه مالحة. فقد أخذوا معدناً عالي الانتقائية يسمى "فوسفوموليبدات الأمونيوم" ومعدناً طبيعياً يُعرف باسم "الزيوليت"، ثم غلفا كل منهما داخل غلاف ناعم يشبه الهلام مصنوع من مستخلص الأعشاب البحرية. هذا الغلاف، الذي يسمى "كبسولة الألجينات الدقيقة"، يعمل كشبكة واقية؛ فهو يحافظ على مسحوق المعدن الناعم في مكانه بحيث يمكن صبه في عمود وغسله بالماء دون أن ينجرف بعيداً، بينما يسمح للماء بالتدفق عبره للمس المعدن في الداخل. أراد الفريق معرفة أي من هذين المعدنين المغلفين سيكون أفضل في التقاط السيزيوم من مياه مالحة محاكية، وما إذا كان بإمكانهما القيام بذلك بسرعة كافية لتكون عملية في نظام معالجة حقيقي.

بدأت الدراسة بإنشاء هذه الكبسولات الصغيرة. خلط الباحثون المساحيق المعدنية مع محلول أعشاب بحرية سائل، ثم أسقطوا الخليط في حمام من الكالسيوم. عمل الكالسيوم كلاصق، حيث حول القطرات فوراً إلى حبيبات صلبة ومستديرة تحبس المعادن بداخلها. صنعوا دفعتين: إحداهما مليئة بفوسفوموليبدات الأمونيوم والأخرى مليئة بالزيوليت الطبيعي. ولاختبار ذلك، صبوا مياهاً مالحة اصطناعية، ممزوجة بكمية صغيرة من السيزيوم، فوق الحبيبات. وقاسوا كمية السيزيوم التي استطاعت الحبيبات احتواءها ومدى جودة إبقائها خارج الماء. أظهرت النتائج فرقاً واضحاً بين الاثنين؛ فقد أثبتت الحبيبات التي تحتوي على فوسفوموليبدات الأمونيوم أنها الصياد المتفوق، حيث تمسكت بالسيزيوم بقوة أكبر وبكميات أكبر من حبيبات الزيوليت. وتحديداً، التقطت حبيبات فوسفوموليبدات الأمونيوم حوالي 0.102 ميلي مول من السيزيوم لكل جرام من المادة، بينما التقطت حبيبات الزيوليت حوالي 0.078 ميلي مول لكل جرام. وكان الفرق أكثر لفتاً للنظر في مدى قوة تمسكها بالسيزيوم؛ حيث أظهرت حبيبات فوسفوموليبدات الأمونيوم معامل توزيع (وهو مقياس لمدى فعالية المادة في سحب مادة ما من الماء) أعلى بنحو سبع مرات من حبيبات الزيوليت.

ولمعرفة ما إذا كانت هذه المواد يمكن أن تعمل في تدفق مستمر، على غرار كيفية عمل محطة معالجة المياه، قام الباحثون بتعبئة الحبيبات في عمود وضخوا مياه البحر الملوثة عبرها بسرعات عالية. اختبروا معدلات تدفق تصل إلى 5 المليلتر في الدقيقة. وحتى عند هذه السرعة العالية، أزالت حبيبات فوسفوموليبدات الأمونيوم 99 بالمائة من السيزيوم. وعندما زادت سرعة التدفق قليلاً، انخفضت الكفاءة لكنها ظلت فوق 90 بالمائة، مما أثبت أن المادة يمكنها تحمل ضغط نظام معالجة حقيقي دون أن تفقد فعاليتها. كما أدى الزيوليت أداءً جيداً، حيث أزال أكثر من 90 بالمائة من السيزيوم تحت ظروف مماثلة، لكنه ظل باستمرار متأخراً عن فوسفوموليبدات الأمونيوم في كل من القدرة الاستيعابية وقوة الالتقاط.

نظر الفريق أيضاً بدقة فيما حدث للحبيبات بعد أن أدت مهمتها. وباستخدام مجاهر قوية وماسحات كيميائية، فحصوا سطح الحبيبات قبل وبعد التعرض للسيزيوم. ووجدوا أن الحبيبات ظلت مستقرة فيزيائياً؛ فلم ينهار هيكلها الداخلي، وظلت مساحة سطحها، وهي أمر بالغ الأهمية لالتقاط الملوثات، كما هي تقريباً. وأكدت عمليات المسح أن السيزيوم قد التصق بالفعل بسطح الحبيبات. ومع ذلك، كشفت عمليات المسح أيضاً أن وجود جميع الأملاح الأخرى في مياه البحر جعل من الصعب ظهور السيزيوم على السطح مقارنة بالاختبارات التي أجريت في مياه نقية. فقد قلل الوسط المالح من كمية السيزيوم التي تم رصدها على السطح بنحو النصف لحبيبات الزيوليت وبحوالي 45 بالمائة لحبيبات فوسفوموليبدات الأمونيوم. وقد أكد هذا أنه رغم جعل مياه البحر المهمة أصعب، إلا أن حبيبات فوسفوموليبدات الأمونيوم كانت لا تزال قوية بما يكفي للتغلب على المنافسة من أيونات الملح.

في الختام، يوضح هذا البحث أن تغليف هذه المعادن المحددة بغلاف من الأعشاب البحرية يخلق أداة متينة وفعالة لتنظيف السيزيوم المشع من المياه المالحة. وقد برزت حبيبات فوسفوموليبدات الأمونيوم كمرشح أقوى، حيث قدمت قدرة استيعابية أعلى واحتفاظاً أفضل بالعنصر المشع حتى في وجود تركيزات عالية من الأملاح. وتشير الدراسة إلى أن هذه المواد المركبة جاهزة لمزيد من التطوير كطريقة عملية لمعالجة مياه النفايات النووية، مما يوفر وسيلة لفصل الإشعاع الخطير عن المحيط دون أن تتحلل المواد أو تنجرف بعيداً.