تخليق وتوصيف فحم منشط من العجينة السوداء المعدلة بحمض الأكريليك من مخلفات قصب السكر لتحسين إزالة الكادميوم

تحويل نفايات مصانع اللب إلى منظف للمياه

تترك العديد من المنتجات اليومية، من الورق إلى البطاريات، نفايات مزعجة ومعادن سامة. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن تحويل منتج ثانوي مظلم وذي رائحة كريهة من مصانع الورق المعالجة لعجينة قصب السكر—المعروف باسم العجينة السوداء—إلى مرشح قوي يزيل المعدن السام الكادميوم من الماء. من خلال ترقية تيار نفايات إلى مادة تنظيف عالية القيمة، يربط هذا العمل بين إعادة التدوير الصناعي، وتأمين مياه شرب أكثر أمانًا، وتنظيف الأنهار في حل عملي واحد.

مشكلة الكادميوم والنفايات الصناعية

يُستخدم الكادميوم على نطاق واسع في البطاريات والطلاءات المعدنية والأصباغ والبلاستيك، لكنه شديد السُميّة ويتراكم في البيئة وأجسامنا. يمكن أن يتسبب في تلف الرئتين والكبد والكليتين، وينتقل في السلسلة الغذائية عبر الماء والتربة. في الوقت نفسه، تولد مصانع الورق التي تعالج عجينة قصب السكر كميات هائلة من العجينة السوداء، وهي سائلة داكنة غنية بالمادة العضوية والمعادن يصعب معالجتها وقد تُلوث المجاري المائية إذا أسيء التعامل معها. الفكرة وراء هذا البحث بسيطة لكنها ذات أثر قوي: هل يمكن تحويل هذه النفايات السائلة المزعجة إلى مادة فعّالة ومنخفضة التكلفة لاحتجاز الكادميوم قبل أن يصل إلى البيئة؟

من سائل داكن إلى إسفنجة كربونية مسامية

جمع المؤلفون العجينة السوداء من مصنع تبييض يستخدم صودا كيميائية لمعالجة قصب السكر. حللوها ووجدوا أنها تحتوي على حوالي 40% من اللجنين (بُلمَرة نباتية غنية بالكربون)، و30% رماد، و25% هولوخليوز، إلى جانب مجموعات وظيفية غنية بالأكسجين. تجعل هذه التركيبة منها نقطة انطلاق واعدة لصنع فحم منشط—شكل مسامي للغاية من الكربون يُستخدم على نطاق واسع في المرشحات. عدل الفريق العجينة السوداء بإضافة كمية صغيرة من حمض الأكريليك تحت ظروف هيدروحرارية، ثم جففوا وسخنوا الصلب الناتج مع هيدروكسيد البوتاسيوم عند درجة حرارة عالية في غياب الهواء. حفرت هذه المنشط الكيميائي شبكة كثيفة من المسام الدقيقة، محولة النفاية إلى مادة سوداء تشبه الإسفنجة تعرف بالفحم المنشط المعدل بحمض الأكريليك.

بناء مسام أفضل لاحتجاز المعادن

أظهرت الاختبارات الدقيقة إلى أي مدى أعادت هذه التعديلات الكيميائية تشكيل المادة. بالمقارنة مع الكربون غير المعدل المصنوع من نفس العجينة، كان للكربون الجديد مساحة سطح أكبر بنحو ثلاثة أضعاف (1541 بدلاً من 500 متر مربع لكل غرام) وأكثر من ثلاثة أضعاف حجم المسام الكلي. كشفت صور المجهر أن الكربون غير المعدل كان له أسطح ناعمة نسبياً ومضغوطة بفتحات محدودة، بينما عرضت النسخة المعدلة شبكة شبيهة بالخلايا النحل من المسام المترابطة. أشارت قياسات الأشعة السينية إلى بنية كربون أكثر انتظامًا قليلاً، وأكدت أطياف الأشعة تحت الحمراء أن حمض الأكريليك أدخل العديد من مجموعات الكربوكسيل—"خطاطيف" كيميائية يمكنها الربط مع الأيونات المعدنية الموجبة الشحنة مثل الكادميوم. معًا، خلقت هذه التغييرات المزيد من المواقع لالتصاق الكادميوم ومسارات أسهل لتدفق الماء عبر المادة.

مدى فعاليته في تنقية الكادميوم من الماء

لفحص فعالية هذا الكربون المطوّر، تعرّض له الباحثون لمياه تحتوي على الكادميوم عبر مدى واسع من التركيزات. أزالت المادة تقريبًا كل الكادميوم عند التركيزات المنخفضة واستمرت في الأداء القوي حتى عندما كانت المياه ملوثة بشدة. عند ملاءمة البيانات مع نماذج الامتزاز القياسية، بلغ الحد الأقصى للسعة حوالي 434 ملليغرامًا من الكادميوم لكل غرام من الكربون—وهو أعلى بكثير من العديد من الكربونات التجارية أو المبلغ عنها سابقًا. تطابق معدل امتصاص الكادميوم نموذجًا يرتبط عادةً بالارتباط الكيميائي، مما يشير إلى أن الكادميوم لا يلتصق سطحياً فحسب، بل يشكل تفاعلات أقوى وأكثر تحديدًا مع المجموعات الوظيفية التي أدخلها حمض الأكريليك. كانت العملية أيضًا أكثر ملاءمة عند درجات حرارة أعلى وظلت فعالة إلى حد معقول على مدى عدة دورات استخدام وتجديد، خاصة عند استخدام حمض النيتريك لتحرير المعدن المحتجز.

ما يعنيه هذا لصناعة وأنهار أنظف

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن سائل نفايات صناعي—العجينة السوداء من مصانع لب قصب السكر—يمكن تحويله إلى "إسفنجة معدنية" عالية الأداء تلتقط الكادميوم الخطير من الماء بكفاءة مذهلة. من خلال إضافة كيميائي شائع (حمض الأكريليك) قبل تنشيط الكربون، أنشأ الباحثون مادة بها المزيد من الأسطح الداخلية وخطاطيف كيميائية، مما أدى إلى إزالة ممتازة للكادميوم. يتعامل هذا النهج مع مشكلتين في آن واحد: يقلل العبء البيئي وتكلفة التخلص من العجينة السوداء، ويقدّم أداة قابلة للتوسع ومنخفضة التكلفة لتنقية المياه الملوثة. إذا ما طُورت هذه المواد أكثر، فقد تساعد المجتمعات والصناعات على الحد من تلوث المعادن الثقيلة مع استغلال أفضل لتيارات نفاياتها.

الاستشهاد: Pourbaba, R., Ashori, A., Abdulkhani, A. et al. Synthesis and characterization of activated carbon from acrylic acid-modified black liquor of sugarcane bagasse for enhanced cadmium removal. Sci Rep 16, 6765 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36827-1

الكلمات المفتاحية: فحم منشط, عجينة سوداء, إزالة الكادميوم, معالجة مياه الصرف, قصب السكر