التحليل المقارن لـ ANFIS وANN وBBD لتحسين التنبؤ بامتصاص الميثيل أورانج في معالجة المياه

تحويل نفايات الفاكهة إلى ماء نظيف

تخيل لو أن قشور الموز اليومية يمكن أن تساعد في تنظيف الأنهار الملوثة. تستكشف هذه الدراسة هذه الفكرة بالضبط. قام الباحثون بتحويل قشور الموز المتروكة إلى شكل خاص من الفحم، يُعرف بالفحم النشط، واستخدموه لإزالة صبغة برتقالية عنيدة من الماء. ثم قارنوا عدة أدوات حاسوبية متقدمة لمعرفة أيها يمكنه التنبؤ وضبط أداء هذه العملية بشكل أفضل، بهدف جعل معالجة المياه أرخص وأكثر صداقة للبيئة وأكثر فعالية.

مشكلة الصبغات العنيدة في المياه

في جميع أنحاء العالم، تطلق مصانع النسيج وصناعات أخرى صبغات ملونة زاهية في المسطحات المائية. وإحدى هذه الصبغات، الميثيل أورانج، تُعد ممثلاً شائعاً لعائلة أوسع من صبغات “آزو” طويلة الأمد. حتى عند تركيزات منخفضة، يمكن لمثل هذه الصبغات أن تحجب ضوء الشمس في الأنهار والبحيرات، وتضر الحياة المائية، وتشكّل مخاطر صحية للإنسان عبر تهييج الجلد والعينين أو إحداث ضغط على الأعضاء الداخلية. العديد من طرق المعالجة الحالية — مثل التنقية بالغشاء، الترسيب الكيميائي، أو الأكسدة المتقدمة — إما تتطلب طاقة وتكاليف عالية، أو تولّد نفايات إضافية، أو تحتاج مواد مكلفة. لذلك يتجه العلماء إلى الامتزاز، وهي عملية تلتصق فيها الملوثات بسطح صلب، كخيار بسيط وفعال.

قشور الموز كمادة تنظيف منخفضة التكلفة

قشور الموز هي نفاية زراعية وفيرة، لا سيما في مناطق مثل أوغندا حيث يمثل الموز غذاءً أساسياً. بدلاً من رميها أو استخدامها كعلف للحيوان فقط، تحول هذه الدراسة القشور إلى فحم نشط بتسخينها ومعالجتها بحمض. المادة الناتجة ذات مسامية عالية، ومساحة سطح داخلية كبيرة والعديد من المجموعات الكيميائية التي يمكنها الإمساك بجزيئات الصبغة. باستخدام عدة تقنيات مخبرية — المجهر لفحص نسيج السطح، الطيف لتحديد المجموعات الكيميائية، وامتزاز الغاز لقياس بنية المسام — يوضح المؤلفون أن المادة المحضرة لها أسطح خشنة شبيهة بالإسفنج، وقنوات دقيقة، ومجموعات كيميائية مفيدة مثل الهيدروكسيل والكربوكسيل، وكلها تدعم امتصاص الصبغة بقوة.

إيجاد أفضل الظروف لإزالة الصبغة

لرؤية مدى فعالية الفحم المستخرج من الموز في إزالة الميثيل أورانج، قام الفريق بتغيير ثلاثة شروط رئيسية: مدة تلامس الماء مع الفحم، ودرجة الحرارة، ودرجة الحموضة (pH). بدلاً من اختبار كل تركيبة ممكنة بشكل عشوائي، استخدموا مخططًا إحصائيًا يُسمى تصميم بوكس–بينكين لتخطيط 17 تجربة مستهدفة فقط. ومن خلال ذلك حددوا ظروفًا قريبة من المثلى: ماء دافئ قليلاً (حوالي 42 °م)، pH قريب من الحيادية (نحو 7)، ومدة تلامس تقارب نصف ساعة. في ظل هذه الظروف، استطاع الفحم أن يمتص أكثر من 140 ملليغرام من الصبغة لكل غرام من المادة، وهي سعة تنافس كثيراً من مواد الامتزاز منخفضة التكلفة المذكورة في الأدبيات.

نماذج ذكية تتعلم سلوك النظام

نظرًا لأن معالجة مياه الصرف الحقيقية معقدة وغالبًا غير خطية، اختبر المؤلفون ثلاث مناهج نمذجة مختلفة للتنبؤ بكمية الصبغة التي ستُزال تحت ظروف مختلفة. الأولى، منهجية السطح الاستجابتي، تناسب سطحًا رياضيًا منحنيًا عبر البيانات. الثانية، الشبكة العصبية الاصطناعية، تحاكي كيفية تعلم “الخلايا العصبية” المتصلة داخل الحاسوب للأنماط من الأمثلة. الثالثة، نظام الاستدلال العصبي الضبابي التكيفي، يمزج الشبكات العصبية بالمنطق الضبابي، وهو طريقة للتعامل مع التغيرات التدريجية بدلاً من قواعد نعم/لا البسيطة. طابقت النماذج الثلاثة البيانات التجريبية عن كثب، لكن النهج الهجين العصبي‑الضبابي قدّم أدق التنبؤات وأدنى الأخطاء، خاصة عند التقاط التفاعلات الطفيفة بين pH والوقت ودرجة الحرارة.

كيف تلتصق الصبغة ومدى ثباتها

لفهم ما يحدث على مستوى أعمق، حلل الباحثون مدى سرعة امتصاص الصبغة وكيفية انتشارها على سطح الفحم. وجدوا أن العملية تتبع نمطًا يُعرف بالرتب الثاني الزائف (pseudo‑second‑order)، مما يشير إلى روابط من نوع كيميائي قوية بين جزيئات الصبغة وسطح الفحم، بدلاً من انجذاب فيزيائي ضعيف فقط. أظهرت دراسات إيزوثرم أن الصبغة تشكل طبقات متعددة على سطح غير أملس، وهو ما يتوافق مع بنية المسام المتفاوتة بشدة التي لوحظت في صور المجهر. أظهرت التجارب العملية على عينات مياه حقيقية — ماء صنبور، مياه صرف صحي، مياه صناعية، وماء مقطر — كفاءات إزالة تزيد على 90% في جميع الحالات، رغم أن التيارات الملوثة المعقدة التي تحتوي على مواد متنافسة أدت إلى أداء أسوأ قليلًا. يمكن إعادة استخدام الفحم عدة مرات مع تراجع تدريجي في الأداء، ما يشير إلى قابلية إعادة استخدام جيدة لكنها ليست لا نهائية.

لماذا تهم هذه الدراسة في الحياة اليومية

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن شيئًا مألوفًا مثل قشور الموز يمكن تحويله إلى مادة ذات أداء عالٍ للمساعدة في تنقية مياه الصرف الملوّنة، وأن النماذج المتقدمة القادرة على “التعلم” يمكن أن توجه بثقة كيفية تشغيل العملية لتحقيق أفضل النتائج. يستطيع الفحم المستخرج من الموز أن يمتص كميات كبيرة من صبغة مقاومة في ظروف واقعية، ونموذج الاستدلال العصبي‑الضبابي قوي بشكل خاص في التنبؤ وتحسين هذا الأداء. معًا، تقرّبنا هذه التقدّمات من تقنيات تنقية مياه ميسورة ومستدامة تستفيد من النفايات الزراعية المحلية مع حماية الأنهار والبحيرات وصحة الإنسان.

الاستشهاد: Bbumba, S., Karume, I. Comparative analysis of ANFIS, ANN, and BBD for enhanced prediction of methyl orange adsorption in water treatment. Sci Rep 16, 12822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43445-4

الكلمات المفتاحية: فحم فعال من قشر الموز, إزالة الميثيل أورانج, معالجة مياه الصرف, نمذجة الامتزاز, أنظمة العصب الضبابية