السليلوز مع روابط يوريثان مزينة بوظائف أيونية لتنقية مياه الصرف بما في ذلك التصميم، التخليق، والدراسات النظرية

تحويل نفايات النباتات إلى أدوات لتنقية المياه

الوصول إلى مياه آمنة أمر حيوي للصحة، ومع ذلك تكافح العديد من المجتمعات مع مياه صرف ملوّثة بالمعادن السامة. تستكشف هذه الدراسة كيف يمكن تحويل بقايا صناعة زيت الزيتون إلى مرشحات ناعمة شبيهة بالإسفنجة تسحب المعادن الخطرة مثل الرصاص واليورانيوم من الماء، مقدمة خيارًا منخفض التكلفة وصديقًا للبيئة لتنظيف المياه.

لماذا يصعب تنظيف المياه الملوثة

تطلق الأنشطة الصناعية والمنزلية والزراعية خليطًا من الملوثات إلى المجاري المائية، بما في ذلك أيونات المعادن مثل الرصاص والكادميوم والزئبق. هذه المعادن لا تتحلل ويمكن أن تتراكم في الجسم مع مرور الوقت، مسببة مشكلات صحية خطيرة. العديد من طرق المعالجة الحالية مكلفة أو معقدة. البديل الشائع هو الامتزاز، حيث تلتصق الملوثات بسطح مادة صلبة. المواد الطبيعية مثل السليلوز المستخرج من النباتات جذابة لهذا الغرض لأنها متوفرة ومتجددة وآمنة بشكل عام، لكن السليلوز العادي يحتوي على مواقع محدودة لالتصاق المعادن ولا يعرض هذه المواقع بسهولة للمياه الجارية.

بناء إسفنجة أفضل من نفايات الزيتون

بدأ الباحثون بالسليلوز المستخرج من النفايات الصلبة المتبقية بعد عصر الزيتون، وهي مادة غالبًا ما تُحرق أو تُلقى. عدّلوا هذا السليلوز كيميائيًا لإضافة مجموعات كاربوكسيل التي تجذب أيونات المعادن بقوة. بعد ذلك تفاعل السليلوز المعدل مع جزيئتين مختلفتين من ثنائي إيزوسيانات لتكوين نوعين من الرغاوي اللينة ذات روابط يوريثان متشابكة. تشكل هذه الرغاوي، المسماة CMC HMPUF وCMC PPUF، بنية مسامية ومرنة مع العديد من القنوات الدقيقة. يجمع تصميم المساحة السطحية العالية ومجموعات الكاربوكسيل المضافة والهيكل الرغوي المستقر لتحويل نفايات الزيتون إلى مرشح مصمم يمكن تعبئته في خزائن بسيطة.

مدى فعالية الرغاوي الجديدة في تنقية المياه

لاختبار الأداء، استخدم الفريق أولًا الرصاص في الماء كمُلوِّث نموذجي وضبطوا متغيرات مثل الرقم الهيدروجيني، وزمن التماس، ودرجة الحرارة، وجرعة الرغوة. وجدوا أن كلا الرغوتين أزالا الرصاص بفعالية أكبر عند ظروف قلوية خفيفة حول الرقم الهيدروجيني 6 إلى 8، حيث تحمل مجموعات الكاربوكسيل على سطح الرغوة شحنة سالبة وتربط بسهولة أيونات المعادن الموجبة. في ظل الظروف المثلى، امتصت الرغاوي نحو 29 إلى 33 ملليغرام من الرصاص لكل غرام من الرغوة، ووصلت العملية إلى مستويات مستقرة تقريبًا خلال نحو 30 دقيقة. أظهرت التحليلات المفصلة أن الامتزاز اتبع نمطًا يتوافق مع تكوين معقدات سطحية مستقرة للمعادن وأن العملية كانت تلقائية عند درجات الحرارة المختبرة.

اختبارات بمياه المجاري الحقيقية وإعادة استخدام المرشحات

انتقل العلماء بعد ذلك من المحاليل المعملية إلى عينة مياه صرف حقيقية من محطة معالجة في أريحا، فلسطين. عندما مرروا هذه المياه عبر أعمدة صغيرة مملوءة بالرغاوي، أزالت المادتان مجموعة واسعة من المعادن، بما في ذلك الألمنيوم والنحاس والزنك واليورانيوم، غالبًا بأكثر من 90 بالمئة. والأهم أن الرغاوي كانت قابلة للتجديد: أُزيلت المعادن بغسلها بمحلول حمضي ومُخلِّب، وأُعيد تنشيط الرغوة بقاعدة خفيفة. بعد خمس دورات من الاستخدام والتجديد، احتفظت المرشحات بأكثر من 90 بالمئة من كفاءتها الأصلية للإزالة، ما يشير إلى أنها قابلة لإعادة الاستخدام عدة مرات بدلاً من التخلص منها بعد استخدام واحد.

إلقاء نظرة داخلية على عملية التقاط المعادن

لفهم ما يحدث على المستوى المجهر، استخدم الفريق محاكاة حاسوبية مبنية على كيمياء الكم، وطرق مونت كارلو، والديناميكيات الجزيئية. أظهرت هذه الحسابات أن أيونات الرصاص تناسب جيدًا بالقرب من المواقع الغنية بالأكسجين في الرغوة وتكوّن تفاعلات قوية معها، متوافقة مع النتيجة التجريبية بأن طاقات الامتزاز مواتية وسالبة للغاية. أشارت النماذج أيضًا إلى أن أيونات المعادن تقترب أولًا وتلتصق بالمواقع المتاحة على سطح الرغوة، ثم تتفكك ببطء إلى مناطق أعمق، ما يتسق مع سلوك الامتزاز الملحوظ مع مرور الوقت.

ماذا يعني هذا لمياه أنقى

تُظهر هذه الدراسة أن النفايات الزراعية، في هذه الحالة مخلفات صناعة الزيتون، يمكن ترقيتها إلى رغاوي متخصصة تزيل المعادن السامة بكفاءة من مياه الصرف. تعمل المرشحات بسرعة في ظل ظروف بسيطة، ويمكنها التعامل مع عينات مياه حقيقية ومعقدة تحتوي على العديد من المعادن، كما يمكن تجديدها عدة مرات. للقراء غير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن مادة نباتية شائعة يمكن إعادة تصميمها لتصبح إسفنجة تنظيف قابلة لإعادة الاستخدام للمياه، مما قد يساعد مرافق المعالجة على تقليل التلوث وفي الوقت نفسه إضافة قيمة جديدة إلى منتج ثانوي صناعي.

الاستشهاد: Kaseeb, S., Deghles, A., Hamed, O. et al. Cellulose with urethan crosslinks decorated with ionic functionality for wastewater purification including design, synthesis, and theoretical studies. Sci Rep 16, 15385 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34653-5

الكلمات المفتاحية: معالجة مياه الصرف, إزالة المعادن الثقيلة, رغوة السليلوز, نفايات الزيتون, الامتزاز