إزالة مستدامة لـ Cd(II) و Cr(VI) من المحلول المائي عبر البيوچار المستخرج من مخلفات الزراعة

تحويل نفايات المزارع إلى منظف للمياه

في أنحاء العالم، تطلق الأنشطة الصناعية معادن سامة في الأنهار والمياه الجوفية، مهددةً مصادر الشرب والكائنات المائية. وفي الوقت نفسه تُحرق أو تُتخلص كميات هائلة من مخلفات الزراعة مثل قشور الذرة. تبحث هذه الدراسة في طريقة لمواجهة المشكلتين معاً: تحويل قشور الذرة إلى مادة شبيهة بالفحم تسمى بيوچار، قادرة على استخلاص المعادن الخطرة من الماء دون حاجة إلى مواد كيميائية مكلفة أو تكنولوجيا معقدة.

لماذا تشكل بعض المعادن في الماء قلقاً شديداً

يتركز عمل هذه الدراسة على معدنين: الكادميوم والكروم. يتسربان إلى الماء جراء عمليات مثل الطلاء الكهربائي، دباغة الجلود، تصنيع البطاريات، وإنتاج الأصباغ. حتى بجرعات صغيرة يمكن أن يضرا الكلى والعظام والجهاز العصبي، وترتبط بعض صورهما ارتباطاً قوياً بالسرطان. وبما أن هذه المعادن لا تتحلل ويمكن أن تتراكم في السلسلة الغذائية، فحتى المستويات المنخفضة في مياه الصرف قد تشكل مخاطر صحية طويلة الأمد. العديد من طرق المعالجة الحالية فعالة، لكنها قد تكون باهظة التكلفة أو مستهلكة للطاقة أو تولد مخلفات جديدة مثل الحمأة السامة. لذلك سيكون الفلتر الرخيص والقابل لإعادة الاستخدام المصنوع من الكتلة الحيوية المهدرة جذاباً بشكل خاص في المناطق ذات الموارد المحدودة.

من قشرة الذرة إلى فلتر مسامي

جمع الباحثون قشور الذرة المتروكة من الأرض الزراعية، وغسلوها بحمض ضعيف لإزالة الشوائب، وجففوها، ثم سخنوها في غياب الأكسجين في عملية تُعرف بالتحلل الحراري (النيتروجيني). حول ذلك القش الورقي الشاحب إلى حبيبات بيوچار مظلمة ومسامية. أظهرت التصاوير التفصيلية سطحاً خشناً على شكل قضبان مملوءة بقنوات دقيقة يدخلها الماء والملوثات المذابة. كشفت الاختبارات الكيميائية أن السطح غني بمجموعات تحتوي على الأكسجين يمكنها التفاعل مع أيونات المعادن. وبعبارة أخرى، حول الفريق بقايا مزرعة قليلة القيمة إلى إسفنجة كربونية مهيكلة تضم العديد من الشقوق المجهرية ونقاطاً كيميائية فعالة مناسبة لاحتجاز الملوثات.

مدى قدرة الإسفنجة المستخرجة من الذرة على التقاط المعادن

لاختبار فعالية هذه المادة، نقع الفريق كميات محددة من البيوچار في ماء يحتوي على مستويات معروفة من الكادميوم أو الكروم السداسي التكافؤ، وغيّروا شروطاً مثل زمن الملامسة ودرجة الحرارة والحموضة والجرعة. وجدوا أن امتصاص المعدن ارتفع بسرعة خلال الساعة الأولى ثم استقر مع امتلاء المواقع المتاحة. في ظروف ملائمة، يمكن لجرام واحد من بيوچار قشر الذرة أن يحمل حتى حوالي 70 ملغم من الكادميوم أو 55 ملغم من الكروم، وهي قيم تقارن جيداً مع أو تتفوق على العديد من الماصات منخفضة التكلفة المبلغ عنها في الأدبيات. كان الماء قليل الحموضة أفضل تأثيراً: حوالي الرقم الهيدروجيني 4.5 للكادميوم و5.0 للكروم، حيث يتوافق شحنة سطح البيوچار والأشكال المذابة للمعادن لتفضيل الجذب بدلاً من التنافر.

نظرة إلى آلية العمل الخفية

من خلال تتبع سرعة اختفاء المعادن من المحلول وكيف تغيرت روابط سطح البيوچار بعد الاستخدام، استنتج المؤلفون ما يحدث على المستوى المجهري. سرعات التقاط المعادن تطابقت مع نموذج تحكمه التفاعلات بين الأيونات ومواقع سطحية محددة، بدلاً من أن تكون مدفوعة بالانتشار البسيط وحده. أظهرت البصمات الطيفية أن مجموعات سطحية معينة، مثل تلك التي تحتوي على الأكسجين، تغيرت في وجود المعادن، مما يشير إلى مزيج من الجذب الكهروستاتيكي، وتبادل الأيونات عند السطح، وروابط شبيهة بالهيدروجين. ساعدت الحرارة العملية: فدرجات الحرارة الأعلى جعلت الامتزاز أكثر ملاءمة عموماً، وأشارت التحليلات الثرموديناميكية إلى أن الربط تلقائي ومتصاحب بامتصاص طفيف للحرارة. حتى بعد عدة دورات من التحميل والشطف الكيميائي، احتفظ البيوچار بقدرة كبيرة على التقاط المعادن، وخصوصاً الكادميوم، مما يوحي بإمكانية إعادة الاستخدام عملياً.

المتانة في العالم الحقيقي وتأثير المنافسة الأيونية

نادراً ما تحتوي مياه الصرف الصناعية على ملوث واحد فقط، لذا فحصت الدراسة أيضاً كيف تؤثر أيونات أخرى شائعة مثل الكالسيوم والمغنيسيوم والنترات والكبريتات على الأداء. هذه الأنواع الإضافية نافست الكادميوم والكروم على المساحة والشحنة على سطح البيوچار، مما خفّض الإزالة إلى حد ما. ومع ذلك، استمر مادة قشر الذرة في إزالة حصة كبيرة من المعادن المستهدفة، مما يشير إلى إمكانية عملها في مزيج معقد في العالم الحقيقي بدلاً من أن تقتصر على محاليل المختبر المثالية فقط. كما ساعد تأثير هذه الأيونات الخلفية في تأكيد أن كل من الجذب القائم على الشحنة وتبادل الأيونات هما عنصران أساسيان في طريقة عمل النظام.

مسار بسيط نحو مياه أنظف

بشكل عام، تُظهر الدراسة أن محصولاً زراعياً سائداً يمكن تحويله إلى أداة فعالة ومنخفضة التكلفة لتنقية المياه الملوثة بمعادن عنيدة وسامة على نحو خاص. دون اللجوء إلى تنشيط كيميائي مكلف أو عمليات تصنيع عالية التقنية، يجمع بيوچار قشر الذرة بين هيكل مسامي وسطح كيميائي نشط يربط الكادميوم والكروم بقوة تحت ظروف واقعية. بالنسبة للمجتمعات التي تواجه في آن واحد نفايات زراعية ومياه ملوثة، يقدم هذا النوع من المواد مساراً واعداً نحو معالجة مياه أكثر استدامة ومصادر محلية.

الاستشهاد: Din, S.U., Al-Ahmary, K.M., Al-Mhyawi, S.R. et al. Sustainable removal of Cd(II) and Cr(VI) from aqueous solution via agro-waste derived biochar. Sci Rep 16, 9792 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40608-1

الكلمات المفتاحية: البيوچار, قشر الذرة, إزالة المعادن الثقيلة, معالجة مياه الصرف, ممتص مستدام