هيدروكسيأباتيت معدل بنزوات الصوديوم لإزالة الصبغات المحسّنة باستخدام نهج تجريبي ومقاربات DFT

تنقية اللون من المياه الملوثة

في جميع أنحاء العالم، تصبغ الصبغات الصناعية الزاهية التي تجعل ملابسنا وأدويتنا ومستحضرات التجميل جذابة بصمت الأنهار والبحيرات. العديد من هذه الصبغات لا تتحلل بسهولة ويمكن أن تضر بالأسماك والأنظمة البيئية وحتى بصحة الإنسان. يستعرض هذا البحث مادة جديدة منخفضة التكلفة مستوحاة من معدن العظم قادرة على استخراج صبغة زرقاء شائعة من الماء بكفاءة، مشيرة إلى خيارات أبسط لمعالجة مياه الصرف الملوثة بالصبغات.

اقتراض أفكار من العظام

المكوّن المركزي في هذه الدراسة هو الهيدروكسيأباتيت، وهو معدن يشكل جزءًا كبيرًا من عظامنا وأسناننا. وبما أنه غني بالكالسيوم والفوسفات ومستخدم بالفعل على نطاق واسع في الطب، فهو يعتبر آمناً ورخيصاً وسهل الإنتاج. أدرك العلماء مؤخراً أن هذا المعدن يمكنه أيضاً أن يعمل كإسفنج صغير للعديد من الملوثات في الماء، خاصة المعادن وبعض المركبات العضوية. إلا أن سطحه الطبيعي ليس مثالياً للالتقاط القوي لجزيئات الصبغة العنيدة، لذلك بحث الفريق عن طريقة «لترقيته» دون فقدان تكلفته المنخفضة وملائمته البيئية.

إعطاء المعدن طبقة ذكية

عدّل الباحثون الهيدروكسيأباتيت عبر ربط بنزوات الصوديوم، وهو مركب بسيط وغير مكلف يُستخدم غالباً كمادة حافظة في الأغذية. خلطوا لبنات البناء الخاصة بالمعدن مع نسب مختلفة من بنزوات الصوديوم (5٪ و10٪ و15٪ بالوزن) أثناء التخليق بحيث تصبح المجموعات العضوية جزءاً من السطح. أظهرت مجموعة من التقنيات — حيود الأشعة السينية، التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء، مجهر الإلكترون، والتحليل الحراري — أن البنية البلورية الشبيهة بالعظم ظلت سليمة، بينما أصبح السطح أكثر مسامية وتنظيماً ومقاومة للحرارة. بعبارة أخرى، احتفظ المعدن بهيكله القوي لكنه اكتسب جلدًا فعالًا غنيًا بالمجموعات المشحونة سلباً التي يمكن أن تجذب جزيئات الصبغة المشحونة إيجابياً.

تجريب المادة الجديدة

لاختبار الأداء، ركّز الفريق على المثيلين الأزرق، صبغة زرقاء مستخدمة على نطاق واسع ومعروفة بمثابرتها ومخاطرها الصحية المحتملة. حركوا المساحيق المعدلة وغير المعدلة في محاليل الصبغة تحت ظروف محكومة وتتبّعوا كمية اللون التي اختفت من الماء. أفضل مادة — التي احتوت على 15٪ بنزوات الصوديوم — أزالت نحو 90٪ من الصبغة وخزنت تقريباً ثلثَي كمية صبغة أكثر لكل غرام مقارنةً بالهيدروكسيأباتيت العادي. أظهرت الاختبارات عبر قيم الحموضة المختلفة أن طلاء بنزوات الصوديوم يجعل أسطح الجسيمات أكثر سلبية الشحنة تحت ظروف المعالجة الاعتيادية، مما يجذب الصبغة المشحونة إيجابياً بقوة. كشفت التجارب القائمة على الزمن أن معظم الإزالة تحدث في أول 20 دقيقة وتتبع نمطاً يتوافق مع ارتباط كيميائي منظم أكثر منه التصاقاً ضعيفاً قابلاً للعكس.

إلقاء نظرة على التفاعلات الخفية

لفهم سبب فعالية الطلاء، استخدم الباحثون حسابات حاسوبية متقدمة مبنية على كيمياء الكم. درست هذه المحاكيات كيفية توزيع الإلكترونات داخل جزيء بنزوات الصوديوم وكيف يرتبط بسطح الهيدروكسيأباتيت. تشير النتائج إلى أن جزء الكربوكسيلات في بنزوات الصوديوم يشكل تفاعلات قوية، لكنها غير مدمرة، مع مواقع الكالسيوم في المعدن. يخلق هذا الارتكاز بقعاً سالبة مستقرة وحلقات عطرية تُفضّل معاً جذباً كهربائياً قوياً وتفاعلات تكديس مع جزيئات المثيلين الأزرق. طابقت النماذج النظرية لالتقاط الصبغة التجارب، مما يوحي بأن جزيئات الصبغة تشكّل طبقة واحدة منسقة على السطح المعدل بدلاً من التكدس الفوضوي.

نحو مياه أنظف بواسطة مساحيق بسيطة

بعبارات يومية، تُظهر الدراسة أن منح معدن شبيه بالعظم طبقة رقيقة «حافظة» يحوّله إلى إسفنجة لونية قوية: يسحب جزيئات الصبغة من الماء بسرعة، يحتفظ بها بإحكام في طبقة أحادية على سطحه، ويظل مستقراً تحت الحرارة وفي الظروف القلوية. وبما أن كلا المكونين — الهيدروكسيأباتيت وبنزوات الصوديوم — رخيصان ويُعتبران آمنين بالفعل، فإن هذه المقاربة قد تُوسع نطاقها لمعالجة مياه الصرف المحمّلة بالصبغات من المنسوجات والصناعات الدوائية وغيرها، مما يساعد على إعادة مياه أنقى وأكثر أماناً إلى الأنهار والبحيرات.

الاستشهاد: Boukra, A., Boukra, O., Latifi, S. et al. Innovative sodium benzoate-modified hydroxyapatite for enhanced dye removal using a combined experimental and DFT approach. Sci Rep 16, 9870 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39075-5

الكلمات المفتاحية: معالجة مياه الصرف, امتصاص الصبغات, هيدروكسيأباتيت, المثيلين الأزرق, بنزوات الصوديوم