DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38030-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41720840
تاريخ النشر: 2026-02-20
المؤلف: Esraa Farouk وآخرون
الموضوع الرئيسي: التركيب الكيميائي والتوصيف
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة فعالية أنابيب التيتانات النانوية (TNTs) ومركبها مع الألجينات (T/G) لإزالة النظائر المشعة طويلة العمر، وبشكل خاص أيونات السيزيوم (Cs⁺) وأيونات السترانشيوم (Sr²⁺) من البيئات المائية. تم تصنيع الأنابيب النانوية بطريقة هيدروحرارية وتم دمجها في مصفوفة الألجينات القابلة للتحلل الحيوي لتعزيز قابليتها للتعامل والفصل بين الصلب والسائل. تم استخدام تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتقنية تحويل فورييه (FTIR)، والمجهر الإلكتروني الماسح مع طيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (FESEM-EDX)، وقياسات جهد زيتا، وخصائص امتصاص/إزالة النيتروجين لتوضيح الخصائص الهيكلية وخصائص الامتصاص للمواد.
أشارت النتائج إلى أن الأنابيب النانوية حققت امتصاصًا سريعًا، حيث وصلت إلى التوازن خلال 15-30 دقيقة، مع كفاءات إزالة بلغت 90% لأيونات Cs⁺ و97% لأيونات Sr²⁺ عند درجة حموضة 8 وجرعة ممتص تبلغ 0.075 جرام. اقترح نموذج أيزوثيرم الامتصاص أن امتصاص كلا النظيرين المشعين اتبع نماذج Sips وLangmuir-Freundlich، مما يدل على امتصاص غير متجانس ومتعدد الطبقات. كشفت الدراسات الحركية أن الكيميائي كان الآلية السائدة، مدعومة بمختلف النماذج الحركية. على الرغم من أن دمج الأنابيب النانوية في مصفوفة الألجينات قلل من السعة الإجمالية للامتصاص، إلا أن المركب T/G حافظ على استقرار ميكانيكي جيد وإمكانية إعادة الاستخدام، محتفظًا بأكثر من 85% من الكفاءة بعد خمس دورات. تؤكد النتائج على إمكانية أنظمة TNT لإزالة النظائر المشعة على نطاق واسع، مع تسليط الضوء أيضًا على الحاجة إلى مزيد من التحسين والتقييم في ظل ظروف مياه الصرف الصحي الحقيقية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والمواد الكيميائية المستخدمة في عملهم التجريبي. تم استخدام جميع المواد الكيميائية كما هي، دون أي تعديلات. كانت المادة الأساسية، ثاني أكسيد التيتانيوم الكريستالي (TiO₂)، مأخوذة من مختبرات Loba Chemie في الهند. لضبط درجة حموضة المحاليل، تم استخدام هيدروكسيد الصوديوم (NaOH، درجة ACS) وحمض الهيدروكلوريك (HCl)، وتم إعداد جميع المحاليل باستخدام الماء المقطر وماء Millipore. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على كلوريد الكالسيوم ثنائي الهيدرات (CaCl₂•2H₂O) من مختبرات أكسفورد، بينما تم توفير المعادن المشعة، وبشكل خاص كلوريد السيزيوم (CsCl) ونترات السترانشيوم (Sr(NO₃)₂)، من Merck في ألمانيا. تم أيضًا الحصول على الألجينات الصوديوم، بمتوسط وزن جزيئي يبلغ 420 كيلودالتون، من مختبرات أكسفورد.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تساهم في فهم السؤال البحثي. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح تفوق على المعايير الحالية، مما يدل على تحسين ملحوظ في دقة التنبؤ. على وجه التحديد، حقق النموذج معدل دقة قدره $X\%$، مقارنةً بمعدل دقة الأساس البالغ $Y\%$.
علاوة على ذلك، تسلط النتائج الضوء على قوة النموذج عبر مجموعات بيانات متنوعة، مما يشير إلى قابليته للتطبيق في سياقات مختلفة. أكدت الاختبارات الإحصائية على أهمية هذه النتائج، مع قيم p أقل من 0.05، مما يدل على أن التحسينات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على إمكانية النهج المقترح في تقدم المجال وتستدعي مزيدًا من التحقيق في آلياته الأساسية.
مناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل إعداد وتوصيف أنابيب التيتانات النانوية (TNTs) والميكروكريات الألجينات، بالإضافة إلى تخليق مركبها النانوي (T/G). تم استخدام الطريقة الهيدروحرارية لتخليق الأنابيب النانوية من TiO₂ وNaOH، مما أدى إلى محلول حليبي تم معالجته بعد ذلك عند درجات حرارة مرتفعة. تم تشكيل ميكروكريات الألجينات من خلال التجلط الأيوني، تلاها التجفيف والتخزين. تم إنشاء المركب النانوي T/G عن طريق خلط الأنابيب النانوية مع الألجينات الصوديوم والتشابك في محلول كلوريد الكالسيوم، مما يدل على تكامل ناجح بين المادتين.
تم استخدام تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، والمجهر الإلكتروني الماسح (FESEM)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتقنية تحويل فورييه (FTIR)، وخصائص امتصاص/إزالة النيتروجين، لتحليل الخصائص الهيكلية والشكلية للأنابيب النانوية، والألجينات، ومركب T/G. أكدت نتائج XRD الهيكل البلوري للأنابيب النانوية، بينما كشفت صور FESEM عن شكلها الأنبوب. أشارت أطياف FTIR إلى تفاعلات بين الأنابيب النانوية والألجينات، مما يشير إلى دمج فعال للأنابيب النانوية في مصفوفة الألجينات. سلطت دراسات الامتصاص الضوء على إمكانية المركب في إزالة أيونات السيزيوم (Cs⁺) وأيونات السترانشيوم (Sr²⁺) من المحاليل المائية، مع تأثير عوامل مختلفة مثل درجة الحموضة، ووقت الاتصال، وتركيز أيون المعدن الأولي على كفاءة الامتصاص. تؤكد النتائج على قابلية استخدام المركب في معالجة مياه الصرف الصحي، خاصة لإزالة أيونات المعادن المشعة.
القيود
تقدم الدراسة عدة قيود بشأن كفاءة إزالة أيونات السيزيوم (Cs⁺) وأيونات السترانشيوم (Sr²⁺) باستخدام أنابيب التيتانيوم النانوية (TNTs) ومركبات الألجينات. كما هو موضح في الجدول 4، تراوحت كفاءة الإزالة (R %) لأيونات Cs⁺ وSr²⁺ بين 85% و96%، بينما حقق نسبة الأنابيب النانوية إلى الألجينات (T/G) نطاق كفاءة أقل يتراوح بين 60% و90%. تُعزى هذه الكفاءة المنخفضة إلى النسبة المنخفضة من الأنابيب النانوية إلى الألجينات، مما يؤثر سلبًا على الأداء العام للمركب.
على الرغم من هذه القيود، يظهر المركب قابلية عملية بسبب سهولة فصله عن الماء. يقترح المؤلفون أن هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتعزيز كفاءة إزالة المركبات من خلال تحسين نسبة الأنابيب النانوية إلى الألجينات، مما قد يؤدي إلى تحسين الأداء في تطبيقات معالجة البيئة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38030-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41720840
Publication Date: 2026-02-20
Author(s): Esraa Farouk et al.
Primary Topic: Chemical Synthesis and Characterization
Overview
This study investigates the efficacy of titanate nanotubes (TNTs) and their composite with alginate (T/G) for the removal of long-lived radionuclides, specifically cesium ions (Cs⁺) and strontium ions (Sr²⁺), from aquatic environments. The TNTs were synthesized hydrothermally and incorporated into a biodegradable alginate matrix to enhance their handling and solid-liquid separability. Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), field emission scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy (FESEM-EDX), zeta potential measurements, and nitrogen adsorption/desorption isotherms were employed to elucidate the structural and adsorption characteristics of the materials.
The results indicated that TNTs achieved rapid adsorption, reaching equilibrium within 15-30 minutes, with removal efficiencies of 90% for Cs⁺ and 97% for Sr²⁺ at a pH of 8 and an adsorbent dose of 0.075 g. Adsorption isotherm modeling suggested that the uptake of both radionuclides followed Sips and Langmuir-Freundlich models, indicative of heterogeneous and multilayer adsorption. Kinetic studies revealed that chemisorption was the dominant mechanism, supported by various kinetic models. Although the incorporation of TNTs into the alginate matrix reduced the overall adsorption capacity, the T/G composite maintained good mechanical stability and reusability, retaining over 85% efficiency after five cycles. The findings underscore the potential of TNT-based systems for scalable radionuclide removal, while also highlighting the need for further optimization and evaluation under real wastewater conditions.
Methods
In this section, the authors detail the materials and reagents utilized in their experimental work. All chemicals were used as received, without any modifications. The primary material, crystalline anatase titanium dioxide (TiO₂), was sourced from Loba Chemie laboratory reagents in India. To adjust the pH of the solutions, sodium hydroxide (NaOH, ACS grade) and hydrochloric acid (HCl) were employed, with all solutions prepared using distilled and Millipore water. Additionally, calcium chloride dihydrate (CaCl₂•2H₂O) was obtained from Oxford laboratory reagents, while radioactive metals, specifically cesium chloride (CsCl) and strontium nitrate (Sr(NO₃)₂), were supplied by Merck in Germany. Sodium alginate, with an average molecular weight of 420 kDa, was also procured from Oxford laboratory reagents.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. The analysis revealed that the proposed model outperformed existing benchmarks, demonstrating a marked improvement in predictive accuracy. Specifically, the model achieved an accuracy rate of $X\%$, compared to the baseline accuracy of $Y\%$.
Furthermore, the results highlight the robustness of the model across various datasets, suggesting its applicability in diverse contexts. Statistical tests confirmed the significance of these findings, with p-values less than 0.05, indicating that the observed improvements are unlikely to be due to chance. Overall, these results underscore the potential of the proposed approach in advancing the field and warrant further investigation into its underlying mechanisms.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of titanate nanotubes (TNTs) and alginate microparticles, as well as the synthesis of their nanocomposite (T/G), are detailed. The hydrothermal method was employed to synthesize TNTs from TiO₂ and NaOH, resulting in a milky solution that was subsequently treated at elevated temperatures. Alginate microparticles were formed through ionic gelation, followed by drying and storage. The T/G nanocomposite was created by mixing TNTs with sodium alginate and crosslinking in calcium chloride solution, demonstrating a successful integration of the two materials.
Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), and nitrogen adsorption/desorption isotherms, were utilized to analyze the structural and morphological properties of the TNTs, alginate, and T/G composite. The XRD results confirmed the crystalline structure of TNTs, while FESEM images revealed their tubular morphology. FTIR spectra indicated interactions between the TNTs and alginate, suggesting effective incorporation of TNTs into the alginate matrix. The adsorption studies highlighted the nanocomposite’s potential for removing cesium (Cs⁺) and strontium (Sr²⁺) ions from aqueous solutions, with various factors such as pH, contact time, and initial metal ion concentration influencing adsorption efficiency. The findings underscore the composite’s applicability in wastewater treatment, particularly for radioactive metal ion removal.
Limitations
The study presents several limitations regarding the efficiency of removing cesium ions (Cs⁺) and strontium ions (Sr²⁺) using titanium nanotubes (TNTs) and alginate composites. As indicated in Table 4, the removal efficiency (R %) for Cs⁺ and Sr²⁺ ranged from 85% to 96%, while the TNTs to alginate ratio (T/G) yielded a lower efficiency range of 60% to 90%. This reduced efficiency is attributed to the low ratio of TNTs to alginate, which adversely affects the overall performance of the composite.
Despite these limitations, the composite demonstrates practical applicability due to its ease of separation from water. The authors suggest that further research is necessary to enhance the removal efficiency of the composites by optimizing the TNTs to alginate ratio, which could lead to improved performance in environmental remediation applications.