الامتزاز عالي الأداء للسلفاميثوكسازول والفينول باستخدام كربون شبيه بالرسغرافين مشتق من الجلوكوز

لماذا يهم تنظيف الملوثات الصغيرة

العديد من الأدوية والمواد الكيميائية الصناعية التي تساعدنا في حياتنا اليومية يمكن أن تضر بهدوء بالأنهار والبحيرات وحتى مياه الشرب عندما لا تتم إزالتها بالكامل في محطات المعالجة. تركز هذه الدراسة على اثنين من هؤلاء المسببين للمشاكل — مضاد حيوي يسمى سلفاميثوكسازول ومادة كيميائية أساسية تسمى الفينول — وتظهر كيف أن مادة كربونية جديدة ومنخفضة التكلفة مصنوعة من سكر بسيط (الجلوكوز) يمكنها استخلاص هذه الملوثات من الماء بكفاءة ملحوظة.

مركبات يومية تبقى في الماء

السلفاميثوكسازول هو مضاد حيوي شائع يُستخدم لعلاج العدوى لدى البشر والحيوانات. وبما أن أجسامنا لا تكسره بالكامل، يتم طرح جزء كبير منه وينتهي به المطاف في مياه الصرف. محطات المعالجة ليست مصممة خصيصاً لهذا النوع من الأدوية، لذا يمكن أن يمر إلى الأنهار والمياه الجوفية وحتى مياه الشرب. مع مرور الوقت، قد يساعد هذا التعرض المستمر والمنخفض المستوى البكتيريا الخطرة على تطوير مقاومة للمضادات الحيوية. الفينول يُستخدم على نطاق واسع في صناعات مثل البلاستيك والراتنجات ومعالجة البترول، ومعروف بكونه ساماً وقد يكون مسبباً للسرطان. حتى عند مستويات منخفضة جداً، يمكن أن يضر الفينول بالكائنات المائية ويشكل مخاطر على صحة الإنسان، ولهذا تفرض الجهات المنظمة حدوداً صارمة على وجوده في مياه الشرب.

كربون إسفنجي مصنوع من السكر

أنشأ الباحثون مادة تسمى الكربون الشبيه بالرسغرافين، أو GLC-900، بدءاً من الجلوكوز العادي. قاموا بتسخين الجلوكوز مع مادتين مساعدتين: إحداهما تساعد على نحت المسامات في الكربون والأخرى توجه الكربون إلى صفائح رقيقة ومماثلة للغرافيت. من خلال التسخين إلى 900 °م في بيئة خالية من الأكسجين ثم غسل المعادن المذابة، حصلوا على جسم أسود يشبه الرغوة مليء بمسام صغيرة ومتصلة. أظهرت القياسات الدقيقة أن هذه المادة تمتلك مساحة سطح داخلية كبيرة للغاية — نحو 935 متراً مربعاً لكل غرام، أي ما يعادل مساحة عدة ملاعب كرة سلة مضغوطة في ملعقة صغيرة من المسحوق. هذا الجمع بين الصفائح الرقيقة والمسامات الوفيرة يجعل GLC-900 يعمل مثل إسفنجة قوية للملوثات المذابة.

مدى فعالية الكربون الجديد في تنقية الماء

لاختبار فعالية GLC-900، خلط الفريق كمية صغيرة منه في مياه تحتوي إما على السلفاميثوكسازول أو الفينول عند مستويات تلوث واقعية. في غضون نحو ساعة، انخفضت تركيزات كلا المركبين بشكل حاد، مما يدل على أن الملوثات قد تم التقاطها على سطح الكربون. عندما زاد الباحثون التركيز الابتدائي، استمرت المادة في الأداء القوي. أشارت النماذج الرياضية التي تصف كيفية تعلق الجزيئات على الأسطح إلى أن الكربون يشكل طبقة أحادية منتظمة من الجزيئات الممتزة حتى تمتلئ المواقع، وكانت القدرات القصوى عالية جداً: نحو 289 ميليغراماً من السلفاميثوكسازول و232 ميليغراماً من الفينول لكل غرام من المادة الممتزة. هذه القيم أفضل عمومًا من العديد من أنواع الكربون المنشط التجاري والبيوچار، ما يعني حاجة لكمية أقل من المادة لتنقية نفس كمية الماء.

ما الذي يحدث على المستوى المجهري

ساعدت صور الميكروسكوب وتحليلات السطح في تفسير سبب عمل GLC-900 جيداً. تتكون المادة من صفائح مجعدة ومتصلة، مكونة متاهة ثلاثية الأبعاد من المسامات التي يمكن للماء والملوثات الدخول إليها بسهولة. أشارت الاختبارات الكيميائية إلى أن الملوثات تُحتجز بصورة رئيسية بواسطة قوى لطيفة وغير دائمة — شبيهة بكيفية التصاق الماء بالزجاج بدلاً من تكوين مركب جديد. تشمل هذه القوى روابط هيدروجينية بين الملوثات والمجموعات الحاملة للأكسجين على الكربون، وتفاعلات «التكديس» بين هياكل الحلقات في الجزيئات والطبقات الكربونية المسطحة، وميل الجزيئات الدهنية للابتعاد عن الماء والالتصاق بسطوح أقل مائية، والمعروفة بتأثيرات الكراهية للماء (الهيدروفوبية). العملية مفضلة من الناحية الطاقية وتعمل فعلياً بصورة أفضل عند درجات حرارة أعلى قليلاً، ما يتفق مع هذا النوع من الامتزاز الفيزيائي.

الظروف الواقعية وإعادة الاستخدام

سأل الفريق أيضاً عن سلوك المادة في ظروف أكثر واقعية. تنافست المادة العضوية الطبيعية، الممثلة هنا بحمض الهيوميك — المادة البنية التي تلون بعض المياه السطحية — مع الملوثات المستهدفة على المساحات المتاحة على الكربون وقللت الأداء، وهو تحدٍ تشاركه معظم المواد الممتزة. أما الأملاح الذائبة الشائعة فكان لها تأثير ضئيل. عندما غُسل الكربون المستخدم بالإيثانول، أمكن إعادة استخدامه لعدة دورات تنظيف مع استمرار إزالة أكثر من 90 بالمئة من الملوثات في الجولات الأولى. قدَّر المؤلفون أن إنتاج هذا الكربون المشتق من السكر سيكون أقل تكلفة لكل كيلوجرام مقارنة بالعديد من أنواع الكربون المنشط عالية الجودة، مع تجنب الاعتماد على مواد خام بترولية وتوليد منتجات ثانوية ضارة.

ما يعنيه هذا لمياه أكثر أماناً

بعبارة بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن كربوناً رخيصاً مشتقاً من السكر وبنية إسفنجية يمكنه بسرعة وبقوة احتجاز كل من مضاد حيوي ومادة صناعية من الماء. وبما أنه فعال وقابل لإعادة الاستخدام ورخيص نسبياً في التصنيع، فقد يصبح GLC-900 أداة عملية لمعالجة مياه الصرف القادمة من المستشفيات والمزارع والمصانع قبل أن تصل إلى الأنهار ومصادر مياه الشرب. ومع أن المزيد من البحوث ضرورية لاختباره في أنظمة التدفق المستمر ومع خليط من العديد من الملوثات، فإن هذه الدراسة تشير إلى مستقبل يمكن أن تتحول فيه مواد يومية مثل السكر إلى مرشحات قوية تساعد في الحفاظ على مياه أنظف ونظم بيئية أصح.

الاستشهاد: Lingamdinne, L.P., Angaru, G.K.R., Shrestha, B. et al. High-performance adsorption of sulfamethoxazole and phenol using graphene-like carbon derived from glucose. Sci Rep 16, 7794 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39165-4

الكلمات المفتاحية: تنقية المياه, تلوث بالمضادات الحيوية, إزالة الفينول, كربون شبيه بالرسغرافين, معالجة مياه الصرف