امتصاص أيون Pb2+ والصبغة الأخضر المالاخيتية من الماء على نانوكمپوزيت مطوّر حديثًا من بنتونيت@أكسيد البيروفسكايت Co-Ni@أطر فلزية-عضوية ثنائية المعدن Mg/Cu ودراساتهما الحركية والامتصاصية

لماذا يهم تنظيف المياه

تعاني العديد من المجتمعات حول العالم من مياه ملوَّثة بمعادن سامة وصبغات صناعية. يمكن أن يتسبب الرصاص في تلف الدماغ والكلى، بينما ترتبط الصبغات ذات الألوان الزاهية مثل الأخضر المالاخيتي بالسرطان ومشكلات جينية. غالبًا ما تكافح محطات المعالجة التقليدية لإزالة هذه الملوثات بسرعة وبتكلفة منخفضة. تعرض هذه الدراسة مادة جديدة منخفضة التكلفة قادرة على سحب كل من الرصاص والأخضر المالاخيتي من الماء بكفاءة عالية، ما يقدّم وسيلة عملية محتملة لجعل مياه الشرب ومياه الصرف أكثر أمانًا.

إسفنجة تنظيف جديدة للمياه الملوثة

طوّر الباحثون "إسفنجة" دقيقة المسام وعالية المسامية بدمج ثلاثة مكونات: طين طبيعي يُدعى بنتونيت، وأكسيد معدني خاص مصنوع من النيكل والكوبالت، وفئة حديثة من البلورات المسامية المعروفة بالأطر المعدنية-العضوية التي تتضمن المغنيسيوم والنحاس. يجلب كل مكون قوة مختلفة. البنتونيت متوافر ورخيص وجيد بالفعل في جذب الملوِّثات المشحونة. يضيف أكسيد النيكل-الكوبالت مواقع معدنية فعّالة كيميائيًا، بينما يوفّر الإطار المعدني-العضوي متاهة من المسام والهياكل العضوية القادرة على التفاعل مع جزيئات الصبغة. دمج الثلاثة في صلب واحد ينتج نانوكمپوزيت مصمّم لالتقاط المعادن الثقيلة والصبغات العضوية في آن واحد.

نظرة داخل المادة الجديدة

لتأكيد تشكّل هذه الإسفنجة الهجينة كما هو مقصود، استخدم الفريق مجموعة من الأدوات التي تفحص البنية والتركيب. كشفت قياسات الأشعة تحت الحمراء كيف ترتبط المجموعات الكيميائية على الطين وأكسيد المعادن والإطار معًا، بينما أظهرت حيود الأشعة السينية أن البنى البلورية لكل مكوّن تبقى وتتشابك في المنتج النهائي. أشارت اختبارات مساحة السطح إلى شبكة مسامية كبيرة، مع العديد من القنوات لمرور الماء والملوثات. أظهرت صور المجهر الإلكتروني نسيجًا معقدًا يشبه الزهرة مصنوعًا من صفائح ومواد طبقية وجزيئات، ما يوفّر سطحًا خشنًا وعالي المساحة. تدعم هذه الملاحظات معًا فكرة أن اللبنات الثلاث تندمج في شبكة مستقرة وسهلة الوصول بدلًا من البقاء كمساحيق منفصلة.

اختبار الإسفنجة

اختبر العلماء بعد ذلك مدى قدرة المادة على إزالة أيونات الرصاص وصبغة الأخضر المالاخيتي من الماء. غيّروا الأس الهيدروجيني ووقت التلامس وكمية الماص المستخدمة ومقدار الملوِّث الموجود. في أفضل الظروف، التقطت المادة ما يصل إلى حوالي 106 ملليغرام من الرصاص لكل غرام من الصلب عند الأس الهيدروجيني المتعادل، وحوالي 15 ملليغرام من الصبغة لكل غرام عند أس هيدروجيني حمضي طفيف. بشكل لافت، كانت إزالة الرصاص سريعة جدًا عندما تم تفعيل العملية بالطاقة الميكروموجية: تم امتصاص معظم الرصاص خلال ثوانٍ قليلة فقط. أما إزالة الصبغة، التي أُجريت بالاهتزاز البسيط بدلًا من الميكروموج، فبلغت ذروتها خلال نحو 20 دقيقة. استكشف الفريق أيضًا كيفية تأثير الأيونات المتنافسة مثل الصوديوم والكالسيوم والمغنيسيوم على الأداء ووجدوا أنه رغم أنها تقلل الإزالة إلى حد ما، يظل الرصاص والصبغة محتلين بقوة.

كيف تعمل عملية الاحتجاز

من خلال تحليل كيف يتغيّر الامتصاص مع الزمن والتركيز، درس المؤلفون آلية الإزالة الأساسية. تشير نتائجهم إلى أن مجموعة من القوى تعمل معًا. عند أس هيدروجيني مناسب، يكون سطح المركب مشحونًا سلبًا قليلًا، ما يجذب أيونات الرصاص الموجبة وجزيئات الصبغة بالمجاذبة الكهروستاتيكية. يبدو أن الترابط الكيميائي بين الرصاص ومجموعات المعدن-الأكسجين في الطين وأكسيد النيكل-الكوبالت يعزّز هذا الارتباط، بينما يوفر الإطار العضوي مواقع إضافية يمكنها التفاعل مع البنية الحلقية للصبغة. تساعد البنية المسامية الملوِّثات على الانتشار عميقًا داخل المادة، حيث يمكن حجزها على الأسطح الداخلية. تدعم الاختبارات باستخدام نماذج رياضية مختلفة لعملية الامتصاص هذه الصورة لالتقاط مزيج من العمليات الفيزيائية والكيميائية على سطح غير متجانس.

من المختبر إلى المياه الحقيقية

لاستكشاف الاستخدام الواقعي، حشَر الفريق المركب في عمود صغير ومرروا من خلاله ماء الصنبور ومياه صناعية ملوّثة بالرصاص أو الصبغة. بعد عدة دورات، لا تزال أكثر من 85–95 بالمئة من كلا الملوِّثين قابلة للإزالة، حتى بعد خمس دورات إعادة استخدام. أظهرت القياسات أن كميات أثرية فقط من النيكل والكوبالت تتسرّب من الصلب، وهي أقل بكثير من حدود الإرشادات الصحية، مما يوحي بأن المادة مستقرة ومن غير المرجح أن تُدخل ملوثات جديدة. تقدر تكلفة المواد الخام بأنها متواضعة، لأن الوصفة تعتمد على أملاح شائعة وطين وحمض عضوي غير مكلف، مما يجعلها جذابة للتوسيع الصناعي.

ما الذي يعنيه ذلك لمياه أكثر أمانًا

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه الدراسة "إسفنجة فائقة" صغيرة وقابلة لإعادة الاستخدام يمكنها التقاط بسرعة كل من معدن خطير وصبغة سامة من الماء. من خلال الجمع الذكي بين طين طبيعي وبلورات مسامية حديثة وأكسيدات معدنية، حقق الباحثون أداء تنظيفيًا قويًا وسريعًا وبحسب الإمكان بتكلفة منخفضة نسبيًا. ومع أن هناك حاجة لمزيد من الاختبارات في أنظمة على نطاق واسع، فإن العمل يشير إلى أجيال جديدة من مواد المرشحات المكيّفة التي قد تساعد المصانع ومحطات المعالجة وحتى المجتمعات الصغيرة على التعامل بفعالية أكبر مع الملوِّثات المزمِنة في المياه.

الاستشهاد: Adel, S.E., El Sayed, I.E.T., Allam, E.A. et al. Adsorption of Pb²⁺and malachite green from water onto a newly developed nanocomposite of bentonite@perovskite Co-Ni oxide@bimetallic Mg/Cu MOFs and their adsorption and kinetic studies. Sci Rep 16, 13520 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42785-5

الكلمات المفتاحية: تنقية المياه, إزالة الرصاص, الأخضر المالاخيتي, ممتص نانوي, معالجة مياه الصرف