دراسة حركية وتوازنية وحرارية لامتصاص الميثيلين بلو على بيومسحوق قشور البرتقال المحضَّر بالتحلل الحراري بمساعدة الميكروويف

تحويل نفايات الفاكهة إلى مساعدات لتنقية المياه

كل كوب من القماش أو الورق المصبوغ بألوان زاهية يترك إرثًا خفيًا في أنهارنا: أصباغ عنيدة تقاوم التحلل وقد تضر الحياة المائية وصحة الإنسان. تستكشف هذه الدراسة فكرة بسيطة مفاجئة لمعالجة هذه المشكلة—استخدام قشور البرتقال الملقاة، المحولة إلى مادة شبيهة بالفحم، لسحب صبغة زرقاء شائعة من الماء. من خلال تحسين كيفية صنع هذه المادة وكيفية استخدامها، يظهر الباحثون أن نفايات الفاكهة يمكن أن تتحول إلى أداة فعّالة لتنقية مياه الصرف الصناعي.

لماذا يصعب إزالة الأصباغ الزرقاء

تطلق صناعات النسيج والصناعات المرتبطة بها مئات الآلاف من الأطنان من الأصباغ الاصطناعية في المياه سنويًا، غالبًا مع معالجة قليلة أو بدونها. الميثيلين بلو، الصبغة الزرقاء الزاهية المستخدمة في الأقمشة والورق وحتى في الطب، هي بالذات صبغة مستقرة. حتى كميات صغيرة يمكن أن تحول الماء إلى لون مكثف، ما يحجب ضوء الشمس ويقلل الأكسجين ويجهد النظم البيئية المائية. وبما أن التركيب الجزيئي للصبغة مستقر ويقاوم التحلل الطبيعي، فقد تكون المعالجات التقليدية مثل الأكسدة الكيميائية أو العمليات البيولوجية مكلفة أو غير فعالة أو تنتج منتجات فرعية غير مرغوبة. دفع هذا الأمر البحث عن مواد أرخص وأنظف يمكنها امتصاص الأصباغ قبل أن تصل إلى الأنهار والبحيرات.

من قشور البرتقال إلى فحم منظف

تنتج مصانع عصير البرتقال حول العالم ملايين الأطنان من نفايات القشور سنويًا، يُتخلص من الكثير منها ببساطة. حول الفريق هذه النفايات إلى بيوچار—صلب مسامي غني بالكربون—باستخدام التحلل الحراري بمساعدة الميكروويف، وهي عملية تسخّن القشور بسرعة في غياب شبه كامل للأكسجين. في غضون 15 دقيقة فقط وبقدرة ميكروويف محكومة، تحولت القشور إلى مادة داكنة ومستقرة ذات محتوى كربون مرتفع وسطح قاعدي. أظهرت الاختبارات التفصيلية أن البيوچار الناتج احتفظ بمجموعات كيميائية محتوية على الأكسجين، وكان ذا مسامات كبيرة مقارنة بحجم جزيئات الصبغة، وحمل رمادًا غنيًا بالمعادن جعله قاعديًا للغاية على السطح. كل هذه الصفات واعدة لجذب واحتجاز الشوائب ذات الشحنة الموجبة من الماء.

كيف يغيّر حموضة الماء الأداء

سؤال محوري في هذا العمل كان كيف تؤثر حموضة أو قاعدية الماء—قيمة pH—على إزالة الصبغة. قارن الباحثون بين سيناريوهين: أحدهما حافظوا فيه على قيمة pH ثابتة بعناية والآخر تركوها تنجرف طبيعيًا. وجدوا أن حالة حمضية خفيفة، عند حوالي pH 4، أنتجت أفضل النتائج، حيث أزالت حوالي 83% من الصبغة الزرقاء. تحت هذه الظروف المضبوطة، كانت الكمية القصوى من الصبغة التي يمكن للبيوچار حملها حوالي 20.6 ملليغرام لكل غرام من المادة، أي أعلى بنحو 83% مقارنة بحالة pH غير المنتظمة. جاء هذا التحسن بالرغم من أن سطح البيوچار نفسه يميل لأن يكون قاعديًا، وهي حالة قد تثبط عادةً الجذب بين الصبغة الموجبة والشواغل. تبيّن النتائج أن تعديل والحفاظ على pH المناسب لا يقلان أهمية عن اختيار مادة الامتزاز نفسها.

ماذا يحدث على السطح

لفهم كيفية التصاق الصبغة بالبيوچار، جمع الفريق صورًا مجهرية وطيف الأشعة تحت الحمراء ونماذج رياضية لسرعة وقوة الامتزاز. تطابقت البيانات الزمنية أفضل مع نموذج يفترض أن السطح يحتوي على أنواع كثيرة من المواقع، لكل منها حاجز طاقة مختلف، مما يشير إلى مشهد غير متجانس للامتزاز. اختبارات التوازن—قياس مقدار الصبغة المتبقي في المحلول بعد التلامس—تناسبت جيدًا مع نموذج يفترض وجود عدد ثابت من المواقع التي تكوّن طبقة أحادية من الجزيئات المرتبطة. أظهرت الحسابات الثرموديناميكية أن العملية تلقائية وتمتص قدرًا طفيفًا من الحرارة، وأن الطاقات المتورطة صغيرة بما يكفي لاستبعاد تكوين روابط كيميائية قوية. بدلًا من ذلك، تبدو القوى المهيمنة فيزيائية لطيفة، مثل روابط الهيدروجين وتكدس هياكل حلقات الصبغة مقابل مناطق مماثلة في مصفوفة الكربون.

مسار بسيط نحو مياه أنظف

من الناحية العملية، تُظهر هذه الدراسة أن بيوچار غير مفعل مصنوع بالميكروويف من قشور البرتقال يمكن أن يعمل كمادة ترشيح متينة ومنخفضة التكلفة لإزالة الميثيلين بلو من الماء، بشرط التحكم الصحيح في pH. المادة مستمدة من نفايات زراعية وفيرة، وتُنتج بسرعة وبمدخل طاقة منخفض نسبيًا، ولا تتطلب خطوات تفعيل كيميائي إضافية. وبينما يمكن لطرق معالجة الكاربون الخاصة أن تحمل كميات أكبر من الصبغة، يقدم بيوچار قشور البرتقال خيارًا أنظف وأكثر استدامة. من خلال توضيح كيف تتحكم قيمة pH والتفاعلات الفيزيائية اللطيفة في الأداء، يشير العمل إلى استراتيجيات قابلة للتوسع والاقتصاد الدائري حيث تساعد نفايات الطعام الشائعة في التقاط الملوثات الصناعية قبل وصولها إلى البيئة.

الاستشهاد: Correa-Abril, J., Cabrera, E.V., Robles, N. et al. Kinetic, equilibrium, and thermodynamic study of Methylene Blue adsorption on orange peel biochar prepared by microwave-assisted pyrolysis. Sci Rep 16, 8310 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36741-6

الكلمات المفتاحية: معالجة مياه الصرف, بيوچار, قشور البرتقال, الميثيلين بلو, تحلل حراري بالميكروويف