A water-efficient artificial phytoextraction technology for the remediation of cesium-contaminated soil inspired by plant transpiration and the hydrologic cycle

Abstract

Cesium ions (Cs+) are hazardous radioactive contaminants that pose significant risks to humans and the environment due to their high solubility in water, leading to increased mobility in groundwater and potential impacts on aquatic ecosystems. While adsorption using Prussian blue (PB) is an effective method for removing Cs+ from water, soil remediation remains challenging due to the limited mobility of contaminants. This study presents a water-efficient artificial phytoextraction system integrated with an interfacial solar vapor generation (ISVG) device for Cs+ purification in contaminated soil. The device’s "leaves" are composed of PB immobilized on cellulose nanofibers (CNF-PB), offering excellent water absorption and transport properties, enabling efficient solar-to-thermal conversion for Cs+ accumulation and water evaporation. Under real sunlight, the system achieved over 99.8% Cs+ removal from soil water in 10 days. It also demonstrated high Cs+ selectivity, leaving essential nutrient ions in the soil. This system provides a sustainable, rapid, and eco-friendly approach to Cs+ contaminated soil remediation.|본 논문은 세슘 이온(Cesium ion, Cs+)은 높은 수용성으로 인해 지하수에서 이동성이 증가하고 수생 생태계에 잠재적인 영향을 미침으로써 인간과 환경에 심각한 위험을 초래하는 유해한 방사성 오염 물질입니다. 물에서 Cs+를 제거하는 데는 프러시안 블루(Prussian blue, PB)를 활용한 흡착법이 효과적이지만, 오염 물질의 이동성이 제한된 토양 정화에는 여전히 어려움이 존재합니다. 본 연구는 Cs+ 정화를 위해 수분 효율적인 인공 식물 추출 시스템을 제시하며, 이는 계면 태양 증발 장치(ISVG)와 통합되어 오염된 토양에서 Cs+를 제거합니다. 이 장치의 "잎" 부분은 셀룰로오스 나노섬유에 프러시안 블루(CNF-PB)가 고정되어 있어, 뛰어난 수분 흡수 및 이동성을 제공하고 태양광을 열로 변환해 Cs+를 축적하고 물을 증발시킵니다. 실제 태양광 아래에서 이 시스템은 10 일 만에 토양 수분으로부터 99.8% 이상의 Cs+를 제거하는 성과를 달성했으며, 필수 영양 이온은 그대로 남기면서 높은 Cs+선택성을 보여주었습니다. 본 시스템은 Cs+로 오염된 토양을 정화하는 데 있어 지속 가능하고 신속하며 친환경적인 해결책을 제공합니다.