حركيات الامتزاز والتماثلات الحرارية لإزالة الأخضر المالاكيت من المحلول المائي باستخدام مركب نانوي من ثاني أكسيد التيتانيوم محمّل على أنابيب الكربون متعددة الجدران المُفعّلة

لماذا يهم تنظيف مياه الصرف الملونة

الأصباغ الصناعية الزاهية تمنحنا أقمشة وجلودًا وورقًا ملونًا، لكن عندما تُصرف هذه المواد الكيميائية عبر مصارف المصانع، فقد تبقى في الأنهار والبحيرات لسنوات. أحد هذه الأصباغ، المسمى الأخضر المالاكيت، يثير قلقًا خاصًا لأنه سام ومقاوم للتحلل ومرتبط بالسرطان. تستكشف هذه الدراسة نوعًا جديدًا من مواد التنظيف النانوية—مركب نانوي—يمكنه انتزاع الأخضر المالاكيت من الماء بسرعة وكفاءة، مما يشير إلى طرق أسرع وأكثر عملية لمعالجة مياه الصرف الصناعي الملوثة.

صبغة عنيدة ومنظف نانوي جديد

يُستخدم الأخضر المالاكيت على نطاق واسع في صناعة النسيج والجلد وحتى، بشكل مثير للجدل، في استزراع الأسماك كعامل مضاد للميكروبات. وبمجرد إطلاقه إلى البيئة، لا يتحلل بسهولة، وغالبًا ما تعجز طرق المعالجة التقليدية عن إزالته تمامًا. سعى الباحثون إلى تصميم «إسفنجة» أفضل لهذه الصبغة عبر مزج مادتين متقدمتين: جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم ونُقط أنابيب كربون نانوية متعددة الجدران التي تم تفعيل أسطحها بمجموعة من الجماعات الحاوية على الأكسجين. بتحميل ثاني أكسيد التيتانيوم على هذه الأنابيب المفعّلة، أنشأوا مادة هجينة تهدف إلى توفير مساحة سطح كبيرة والعديد من المواقع الفعّالة التي يمكن أن تلتصق بها جزيئات الصبغة.

بناء وفحص المادة النانوية الهجينة

صنّع الفريق المركب النانوي باستخدام عملية هيدروحرارية، حيث تُعالج مسحوق ثاني أكسيد التيتانيوم في محلول قلوي ساخن ثم يُربط بأنابيب الكربون في الماء تحت خلط مطوّل. فحصوا المسحوق الناتج بعناية باستخدام مجموعة من الميكروسكوبات وأدوات الطيف. أكدت هذه الاختبارات أن ثاني أكسيد التيتانيوم حافظ على بنيته البلورية وانتشر بشكل متساوٍ على شبكة الأنابيب بدلًا من التكتل بشكل منفصل. كشفت قياسات امتزاز الغاز عن بنية مسامية عالية تشبه الإسفنج وبمساحة سطح تزيد أكثر من ضعفين عن مساحة سطح ثاني أكسيد التيتانيوم العادي، مما يعني مساحة أكبر بكثير لاحتجاز جزيئات الصبغة أثناء المعالجة.

إزالة سريعة وفعالة للصبغة من الماء

لاختبار فعالية المادة الجديدة في تنظيف الماء، أجرى الباحثون تجارب دورات حيث تُهز كميات صغيرة من المركب النانوي مع محاليل الأخضر المالاكيت تحت ظروف مختلفة. وجدوا أن الأداء يعتمد بقوة على حموضة الماء: كانت الإزالة متواضعة في الظروف الحمضية لكنها ارتفعت لتتجاوز 95 بالمئة عند درجة حموضة قاعدية خفيفة حوالي 8، حيث يحمل سطح المادة شحنة سالبة تجذب الصبغة ذات الشحنة الموجبة. بشكل لافت، تحت هذه الظروف المثلى—حموضة pH 8، و0.005 غرام من المادّة الممتزة في 10 مل من المحلول، ودرجة حرارة الغرفة—وصل النظام إلى التوازن في حوالي 10 دقائق، محققًا سعة امتزاز تقارب 39 ملغ من الصبغة لكل غرام من المادة. هذا مستوى قابل للمقارنة أو أفضل من العديد من المواد الماصة التقليدية، لكنه يقدّم تنظيفًا أسرع بكثير.

كيف تلتصق الصبغة بسطح الأنابيب

بموافقة البيانات التجريبية على نماذج رياضية معيارية تصف كيفية ارتباط الجزيئات بالأسطح، استنتج المؤلفون أن الأخضر المالاكيت يشكل في الأساس طبقة أحادية على سطح نسبيًا منتظم، كما يلتقطه وصف لانغموير. في الوقت نفسه، توافقت نماذج أخرى تأخذ بالاعتبار اختلاف قوى الربط وتكوّن طبقات متعددة مع البيانات أيضًا، مما يشير إلى مزيج من الالتصاق الفيزيائي والكيميائي. أشار أفضل نموذج زمني إلى أن التكاثر ليس مجرد اصطدامات عشوائية للجزيئات بالسطح بل ينطوي على تفاعلات أقوى، مثل الجذب الكهروستاتيكي بين الشحنات المضادة والاتصال المحدد مع مجموعات السطح. دعمت الميكروسكوبيات وقياسات الأشعة تحت الحمراء قبل وبعد امتصاص الصبغة صورةً تُظهر تجمّع جزيئات الصبغة على الأسطح الخارجية وداخل المسام دون تغيير الإطار البلوري الأساسي.

إعادة الاستخدام وأمل لصناعة أنظف

لكي تكون أي تقنية لمعالجة المياه عملية، يجب أن تكون وسيط التنظيف قابلاً لإعادة الاستخدام. أظهر الباحثون أن المركب النانوي يمكن تجديده بغسله بمحلول هيدروكسيد الصوديوم البسيط وإعادة استخدامه لما لا يقل عن خمس دورات مع فقدان ضئيل جدًا في الأداء. عمومًا، تُظهر الدراسة أن مزيجًا مُهندَسًا بعناية من ثاني أكسيد التيتانيوم وأنابيب الكربون النانوية المفعّلة يمكن أن يعمل كإسفنجة سريعة ومتينة وقابلة لإعادة التدوير للأصباغ. وبينما أُجرِيت هذه الاختبارات في محاليل مخبرية مبسطة بدلًا من مياه صرف صناعية حقيقية، تشير النتائج إلى مسار واعد نحو وحدات معالجة مدمجة قادرة على إزالة الملوّنات الضارة مثل الأخضر المالاكيت من مياه الصرف قبل أن تصل إلى البيئة.

الاستشهاد: Jomardani, F., shakeri, R., Akbarzadeh, R. et al. Adsorption kinetics and isotherms of malachite green removal from aqueous solution using TiO₂ loaded on f-MWCNTs nanocomposite. Sci Rep 16, 8567 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38582-9

الكلمات المفتاحية: معالجة مياه الصرف, الأخضر المالاكيت, مادة نانوية مركبة ممتزة, ثاني أكسيد التيتانيوم, أنابيب الكربون النانوية