تحضير محفز Co–Ce–Ru/γ-Al2O3 لتحلل رودامين B في مياه الصباغة المستعملة

لماذا تهم الأصباغ الملوثة في الماء

تعتمد الملابس الملونة والبلاستيك والمواد المطبوعة على الأصباغ الصناعية، لكن مياه الصباغة المتبقية صعبة التنقية للغاية ويمكن أن تبقى في الأنهار والبحيرات فترة طويلة. تستكشف هذه الدراسة طريقة جديدة لإزالة صباغ أحمر ساطع يُدعى رودامين B من الماء تقريبًا بالكامل، باستخدام محفز صلب مُصمم خصيصًا يعمل بالتعاون مع عامل مؤكسد. تُهمّ هذه الدراسة لأنها تشير إلى طريقة عملية لمعالجة المياه الصناعية العنيدة دون خلق مشكلات تلوث ثانوية.

مُعين جديد لتنظيف مياه الصباغة الصعبة

ركّز الباحثون على مجموعة من طرق المعالجة المعروفة بعمليات الأكسدة المتقدمة، التي تعتمد على أشكال شديدة التفاعلية من الأكسجين والكبريت لتفكيك المركبات المعقدة. عامل مؤكسد شائع الاستخدام، البيروكسيمونوسلفات، يمكن تفعيله بواسطة معادن معينة لتشكيل جذور قوية تهاجم جزيئات الصباغ. يُعدّ الكوبالت جيدًا بشكل خاص في هذا الدور، لكن الكوبالت المذاب في الماء معدن ثقيل سام. للحصول على أداء قوي للكوبالت مع إبقائه مثبتًا، ربط الفريق الكوبالت بدعم مسامي يُعرف بألومينا غاما ثم حسّن هذه الوصفة بإضافة كميات ضئيلة من عنصر الأرض النادرة السيريوم والمعدن النفيس الروديوم.

بناء محفز صلب أذكى

حضّر العلماء عدة نسخ من المحفز عن طريق نقع داعم الألومينا في محاليل أملاح معدنية ثم تسخينه عند درجات حرارة متحكم بها. احتوى أحد العينات على الكوبالت فقط، ودمجت عينة أخرى الكوبالت والسيريوم، أما النسخة الأكثر تقدمًا فاحتوت على الكوبالت والسيريوم والروديوم معًا. أظهرت الاختبارات التفصيلية أن المحفز المطوّر يمتلك مساحة سطح داخلية كبيرة مليئة بمسام متوسطة الحجم، ما يوفر العديد من المواقع التي يمكن أن تلتقي فيها جزيئات الصباغ والمؤكسد. انتشرت المعادن بالتساوي على السطح، وساعد وجود السيريوم والروديوم في إبقاء الكوبالت على شكل تجمعات صغيرة جدًا، وتحسين الاستقرار الحراري، وإحداث شواغر أكسجينية تُفضّل التفاعلات السريعة. بشكل عام سمحت البنية بتوافر مزيد من المواقع النشطة مع استخدام كمية أقل من الكوبالت.

اختبار المحفز عمليًا

لفحص كفاءة المواد عمليًا، عالج الفريق مياهًا تحتوي على رودامين B بتركيزات واقعية. في كل اختبار خلطوا محلول الصباغ مع كمية محددة من المحفز، أتاحوا للصباغ أن يلتصق بالسطح، ثم أضافوا البيروكسيمونوسلفات. بتتبع فقدان اللون مع الزمن عبر طريقة امتصاص الضوء، تمكنوا من متابعة سرعة تحلل الصباغ. أزال محفز الكوبالت–السيريوم–الروديوم اللون تقريبًا بالكامل، ليصل إلى قرابة 100 بالمئة من إزالة اللون خلال نحو 20 إلى 30 دقيقة عند درجة حرارة الغرفة وبجرعات متواضعة من المحفز والمؤكسد. اتبع التفاعل سلوكًا من الدرجة الأولى البسيط، أي أن المعدل تناسب مع كمية الصباغ المتبقية، وكان نصف عمر الصباغ المحسوب بضع دقائق فقط.

كيف يحدث تأثير التنظيف

كشفت قياسات خاصة مغناطيسية أي الأنواع ذات العمر القصير التي كانت تعمل أثناء المعالجة. ولّد المحفز والبيروكسيمونوسلفات معًا كلًا من جذور السلفات وجذور الهيدروكسيل، وهي أشكال شديدة التفاعل من أنواع الكبريت والأكسجين قادرة على تمزيق بنى الصباغ المعقدة. كانت هناك أيضًا أدلة على مسار غير جذري يشمل شكلًا أكثر انتقائية من الأكسجين. تأرجح الكوبالت على سطح المحفز بين حالات شحنة مختلفة، مفعلًا مرارًا جزيئات المؤكسد الجديدة. ساهم السيريوم بخلق شواغر أكسجينية وتعديل توازن أشكال الأكسجين على السطح، بينما حسّن الروديوم التشتت والاستقرار بشكل طفيف. عبر تعديل كميات المحفز والمؤكسد والحرارة، حدّد الباحثون ظروف تشغيلية قدمت معالجة سريعة دون إهدار للمواد الكيميائية أو حدوث إخماد ذاتي للجذور.

المتانة والسلامة البيئية

للاستخدام الواقعي، يجب أن يتحمل المحفز دورات تنظيف متعددة وألا يطلق كميات كبيرة من المعادن إلى الماء المعالج. أعاد الفريق استخدام محفز الكوبالت–السيريوم–الروديوم أربع مرات تحت نفس الظروف. على الرغم من انخفاض طفيف في الأداء، أزال المحفز أكثر من 90 بالمئة من الصباغ بعد الدورة الرابعة، وأظهرت الصور المجهرية تآكلًا سطحيًا طفيفًا فقط. أكدت قياسات المعادن المذابة أن الكوبالت والمعادن المضافة ظلت في الغالب محبوسة في الصلب، مع مستويات كوبالت أقل بكثير من 1.0 ملغ لكل لتر، وهو حد تصريف شائع. كان لمواد أخرى في الماء، مثل الأملاح الشائعة وبعض أيونات المعادن، تأثير معتدل فقط على العملية، وعملت الطريقة عبر نطاق pH واسع.

ماذا يعني هذا لمياه أنظف

بعبارة بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن هندسة محفز صلب بعناية تُمكّن الصناعة من استغلال قوة مؤكسدات قوية لإزالة جزيئات الصباغ العنيدة مع استخدام معدن أقل سمية وتجنّب تلوث ثانوي كبير. يحفّز مركب الكوبالت–السيريوم–الروديوم على الألومينا البيروكسيمونوسلفات بكفاءة، ويصمد بعد استخدام متكرر، ويحافظ على تسرب معدني منخفض، مما يجعله أداة واعدة لمعالجة مياه الصباغة الملونة والمقاومة بحيث لا تلوّث البيئة بعد الآن.

الاستشهاد: Zhang, Y., Zhang, E., Deng, J. et al. Preparation of Co–Ce–Ru/γ-Al₂O₃ catalyst for degradation rhodamine B in dye wastewater. Sci Rep 16, 15093 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42905-1

الكلمات المفتاحية: مياه الصباغة المستعملة, رودامين B, الأكسدة المتقدمة, محفز كوبالت, بروكسيمونوسلفات