تصميم بورات فلزية خزفية جديدة تحتوي على الكربون لاحتجاز فعال لصبغة توليدين بلو O من مياه الصرف

لماذا تشكل المياه الملونة مشكلة للجميع

من الجينز الأزرق إلى الأوراق المطبوعة، تعتمد الحياة الحديثة على الصبغات—وكذلك العديد من مياه الصرف الناتجة عنا. إحدى هذه الصبغات، توليدين بلو O، هي صبغة زرقاء زاهية تُستخدم في المختبرات والصناعات. يمكن أن تهيج الجلد والعينين، وقد تضر الأعضاء الداخلية بعد تعرض متكرر، كما أنها تحجب الضوء في الأنهار والبحيرات مما يجهد الحياة المائية. تستكشف هذه الدراسة مواد خزفية جديدة منخفضة التكلفة يمكنها امتصاص هذه الصبغة العنيدة من الماء بكفاءة ملحوظة، مما يشير إلى أداة عملية لجداول وأنابيب مياه أنظف وأكثر أمانًا.

تصميم إسفنجة ذكية للصبغة الزرقاء

سعى الباحثون إلى بناء «إسفنجات» صلبة صغيرة تلتقط توليدين بلو O من الماء وتحتجزها بإحكام. استخدموا وصفة كيميائية بسيطة نسبيًا تسمى طريقة بيكيني (Pechini) سول–جل لصنع مادتين مرتبطتين، تم تسخينهما إلى 500 °م و700 °م وحُمّيتا التسمية AFB500 وAFB700. كل حبة هي نانوهايبرد—مزيج من عدة معادن بورات وأكاسيد حديد مدمجة مع كمية صغيرة من الكربون. تم اختيار هذا الخليط بحيث تجذب أجزاء مختلفة من السطح الصبغة بآليات مختلفة، مما يزيد كلًا من السرعة والكمية الإجمالية للصبغة المزالة.

كيف تبدو هذه الحبيبات الصغيرة

لفهم كيفية عمل هذه النانوهايبردات، استخدم الفريق حيود الأشعة السينية والمجاهر الإلكترونية لرؤية بنيتها الداخلية وشكلها. كونت AFB500، المادة المحروقة عند درجة الحرارة المنخفضة، صفائح ورقائق رقيقة مصنوعة من بلورات دقيقة متعددة، مما منحها مساحة سطحية نسبية عالية مشوبة بمسام صغيرة. أعادت AFB700، المحروقة بحرارة أعلى، تنظيم نفسها إلى حبيبات أكثر تماسكًا ومستديرة مع مسام أكبر ولكن أقل عددًا وبلورات أكثر انتظامًا. احتوت كلتاهما على المزيج المقصود من البورون والحديد والألومنيوم والأكسجين والكربون، لكن AFB500 احتوت على كمية كربون أكبر، بينما كانت AFB700 أغنى بالمكونات المعدنية غير العضوية—وهي اختلافات ثبت أنها مهمة للأداء.

كيف تلتقط الإسفنجات الصبغة وتحتفظ بها

أظهرت اختبارات في ماء مصبوغ أن الحموضة (الـ pH) تلعب دورًا كبيرًا. عند pH منخفض، تكون أسطح الحبيبات مشحونة إيجابيًا، تمامًا مثل جزيئات توليدين بلو O، فتتنافر معًا ويتم احتجاز كمية قليلة جدًا من الصبغة. عند pH 10، تصبح الأسطح مشحونة سالبًا، ما يخلق جذبًا كهروستاتيكيًا قويًا نحو الصبغة المشحونة إيجابيًا. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لمجموعات غنية بالأكسجين على أسطح البورات وأكاسيد الحديد تكوين روابط هيدروجينية ومجمعات ضعيفة مع الصبغة، بينما تتفاعل مناطق الكربون مع الحلقات العطرية المسطحة للصبغة من خلال تفاعلات تكديس. معًا، تسمح هذه الآليات لـAFB500 بإزالة حوالي 92% من الصبغة في ظروف معملية مثالية، وAFB700 حوالي 64%، مع تحميل الصبغة على طبقة واحدة منظمة جيدًا على السطح.

اختبار الأداء والمتانة

عرض الفريق المواد لمجموعة من الظروف التي تحاكي الاستخدام في العالم الحقيقي. تغيّر زمن التماس، والحرارة، وكمية المادة الماصة، ومستوى الأملاح، وتركيز الصبغة. تفوقت AFB500 على AFB700 باستمرار، بفضل مسامها الأرفع ومساحة سطحها الأكبر، حيث بلغت سعة احتواء الصبغة القصوى نحو 424 ملليغرامًا لكل غرام من المادة—وهو أعلى من العديد من المواد الماصة السابقة مثل الزيوليت والجبس وبعض المركبات المغناطيسية. تبع الامتزاز قانون وقت بسيط (حركية زائفة من الدرجة الأولى) وانخفض قليلاً عند درجات حرارة أعلى، مما يدل على أن الامتزاز عملية عفوية لكنها تطلق حرارة خفيفة. كان للأيونات الشائعة مثل الصوديوم والكلوريد تأثيرات متواضعة، بينما تنافست صبغات موجبة الشحنة الأخرى بقوة على نفس المواقع، كما هو متوقع في الخلائط الواقعية.

من قارورة المختبر إلى مياه الصرف الحقيقية

ومن المهم أن هذه النانوهايبردات لا تبدو للاستخدام لمرة واحدة. أزال الباحثون الصبغة المحتجزة بغسيل الحبيبات بحمض الهيدروكلوريك، الذي يقلب شحنة السطح ويدفع الصبغة مرة أخرى إلى المحلول. عند قوة حمضية 2 مولار، أُطلق ما يقرب من كل الصبغة، واحتفظت كل من AFB500 وAFB700 بمعظم قدرتهما على الالتقاط خلال ما لا يقل عن خمس دورات إعادة استخدام، مع تغير بنيوي طفيف وعدم رصد لتسرّب معادن. عند اختبارها مع مياه صرف مخبرية فعلية—تحتوي على خليط من الأملاح والمعادن النزرة، بالإضافة إلى توليدين بلو O المضاف—احتفظت المواد أيضًا بكميات كبيرة من الصبغة، مع مواصلة AFB500 تصدر الأداء. تجمع هذه المزايا من سعة عالية وقابلية لإعادة الاستخدام وتصنيع بسيط وقابل للتوسع باستخدام مكونات رخيصة يجعل هذه الحبيبات الخزفية–الكربونية مرشحة واعدة لمياه الصرف المحملة بالصبغات.

ماذا يعني هذا لمياه أنظف

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أن جزيئات خزفية مهندَسة بعناية، مدموجة بقليل من الكربون، يمكن أن تعمل كفلاتر قوية وقابلة لإعادة الاستخدام لصبغة زرقاء خطرة. من خلال ضبط درجة الحرارة أثناء الحرق، استطاع المؤلفون تحريك التوازن بين مساحة السطح والبلورية، مع تقديم AFB500 المحروق عند درجة حرارة أقل أفضل توازن لالتقاط الصبغة بسرعة وبكميات كبيرة. وبما أن المواد الأولية شائعة والعملية تشبه إنتاج السيراميك القياسي، فمن الممكن نظريًا تصنيع هذه المواد على نطاق واسع وتعبئتها في وحدات معالجة لمصانع النسيج والمختبرات أو منشآت أخرى تتخلص من مياه صرف ملونة. بمساعدتها على إزالة صبغات عنيدة مثل توليدين بلو O، فهي تساند جهودًا أوسع، مثل هدف الأمم المتحدة للمياه النظيفة والصرف الصحي، بتحويل مشكلة كيميائية معقدة إلى خطوة ترشيح عملية.

الاستشهاد: Basha, M.T., Alhamzani, A.G. & Abdelrahman, E.A. Engineering novel ceramic metal borates containing carbon for efficient sequestration of Toluidine Blue O from wastewater. Sci Rep 16, 4526 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37604-w

الكلمات المفتاحية: معالجة مياه الصرف, إزالة الصبغات, مواد نانوية, الامتزاز, توليدين بلو O