التحديات والفرص في الفحم الحيوي المستخرج من عشب نايبر عبر الغاز المسال لامتصاص الحمض العُفني والتحليل الحسابي DFT

تحويل العشب إلى مساعد للمياه

تعتمد جودة مياه الشرب النظيفة ليس فقط على إزالة الجراثيم، بل أيضًا على التخلص من مركبات طبيعية غير مرئية قد تتحول إلى مواد ضارة أثناء المعالجة. تستكشف هذه الدراسة فكرة مبتكرة: استخدام الفحم الناتج من عشب نايبر، وهو نبات شائع لتغذية الماشية في تايلاند، للمساعدة في تنظيف خزان مياه جامعي. عن طريق تسخين سيقان العشب المتبقية للحصول على مادة مسامية غنية بالكربون تُسمى الفحم الحيوي، اختبر الباحثون ما إذا كان هذا المنتج منخفض التكلفة يمكنه التقاط المواد الطبيعية المسببة للمشاكل من الماء وتقليل تكوّن المنتجات الجانبية غير المرغوب فيها عند استخدام الكلور في التطهير.

لماذا يمكن أن تخفي المياه الطبيعية مخاطر غير مرئية

تحتوي العديد من البحيرات والأنهار على "مادة عضوية مذابة"، وهي بقايا النباتات والتربة التي تتسرب إلى الماء. جزء مهم من هذا المزيج هو الحمض العُفني، مادة داكنة ومعقدة تساهم في تلوين الجداول والبرك بلون الشاي. بحد ذاته، ليس الحمض العُفني بالضرورة تهديدًا صحيًا كبيرًا. تبدأ المشكلة عندما تضيف مرافق المياه الكلور لقتل الميكروبات. يتفاعل الكلور مع الحمض العُفني ومركبات مماثلة لتكوين منتجات جانبية للتطهير، بما في ذلك مجموعة من المركبات تسمى ثلاثي هالوميثان، وبعضها يُشتبه في أنه يزيد من خطر الإصابة بالسرطان. في تشيانغ ماي، تايلاند، يزود خزان يسمى Ang Kaew المياه للجامعة المحلية، مما يجعله منصة اختبار مثالية في العالم الحقيقي لنهج معالجة محسّنة.

من عشب المزرعة إلى الفحم المسامي

يُزرع عشب نايبر على نطاق واسع في تايلاند كعلف للحيوانات، لكن سيقانه القاسية غالبًا ما تذهب دون استخدام. حول الفريق هذه المخلفات الزراعية إلى فحم حيوي بتسخينها إلى 600 °م في فرن تجريبي يستخدم غاز البترول المسال مع الغاز المنبعث من العشب نفسه أثناء الاحتراق. كانت المادة الناتجة، المسماة CNP_600، صلبة سوداء مسامية وغنية بالكربون. أظهرت الصور الميكروسكوبية سطحًا خشنًا يشبه الإسفنجة، وأكدت القياسات وجود مساحة سطح داخلية نسبية كبيرة يمكن للجزيئات المذابة الالتصاق بها. كشفت الاختبارات الكيميائية أن سطح الفحم الحيوي يحمل العديد من المجموعات المحتوية على الأكسجين، مثل المواقع الحمضية والمشابهة للكحول، وهي مهمة لجذب وربط المواد المذابة من الماء.

مدى فعالية فحم العشب في تنقية الماء

درس الباحثون أولًا مدى وسرعة امتصاص الفحم الحيوي للحمض العُفني من محاليل اختبار. وجدوا أن معظم الإزالة حدثت خلال ست ساعات وأن العملية اتبعت نمطًا نموذجيًا للربط الكيميائي بدلًا من الالتصاق الفيزيائي البسيط. عند فحص مقدار الحمض العُفني الذي يمكن أن يحتفظ به الفحم عند تراكيز مختلفة، جاءت النتائج متوافقة مع نموذج يرتبط عادة بالأسطح الخشنة وغير المتجانسة. ثم انتقل الفريق من المختبر إلى المياه الحقيقية المأخوذة من خزان Ang Kaew. بجرعة متواضعة من الفحم الحيوي، انخفضت كمية الكربون العضوي المذاب بحوالي النصف، وانخفضت إشارة الامتصاص عند الأطوال الموجية فوق البنفسجية، التي تتعقب الجزيئات الأروماتية (المكوّنات الحلقية) المسؤولة بقوة عن تكوين المنتجات الجانبية، بأكثر من 70٪. هبط مؤشر مركب يسمى SUVA من 2.0 إلى 1.2، مما يشير إلى أن الماء بعد المعالجة احتوى على عدد أقل من هذه المكونات الأروماتية الم problemة.

نظرة إلى الكيمياء غير المرئية

لفهم سبب تفضيل فحم نايبر لالتقاط الحمض العُفني، استخدم الفريق محاكاة حاسوبية قائمة على كيمياء الكم. بنوا نموذجًا جزيئيًا مبسّطًا لسطح الفحم الحيوي، شاملاً مجموعات رئيسية حاملة للأكسجين، ونموذجًا تمثيليًا لجزء من الحمض العُفني. من خلال حساب كيفية توزيع الشحنة الكهربائية عبر هذه البنى، حدّدوا مناطق سالبة حول ذرات الأكسجين على الفحم ومناطق موجبة حول ذرات هيدروجين معينة. يشجع هذا النمط جزيئات الحمض العُفني على الاقتراب وتشكيل روابط هيدروجينية — جذبات ضعيفة لكنها عديدة — بين مواقعها الغنية بالأكسجين والمجموعات الوظيفية على الفحم. أظهرت الحسابات أيضًا أن عدة ترتيبات محتملة لوضع الحمض العُفني على سطح الفحم تكون مواتية من حيث الطاقة، مع الأكثر استقرارًا الذي يشكل عدة روابط هيدروجينية قصيرة وقوية تثبّت الجزيء في مكانه.

ماذا يعني هذا لمياه أكثر أمانًا وبأسعار معقولة

بشكل عام، تُظهر الدراسة أن الفحم الحيوي المصنوع من عشب نايبر يمكن أن يقلل بشكل ملموس المادة العضوية الطبيعية في ماء الخزانات، لا سيما الجزء الأروماتي الأكثر احتمالًا لتوليد منتجات تطهير خطرة. وعلى الرغم من أن سعته أقل من بعض المواد التجارية المتقدمة، فإن الفحم المستخرج من العشب سهل الإنتاج من النفايات الزراعية المحلية ويؤدي أداءً مماثلًا لخطوات المعالجة التقليدية في نظام إمداد المياه القائم. للمجتمعات التي تسعى إلى طرق ميسورة لتحسين سلامة مياه الشرب، خاصة في المناطق الغنية بالكتلة الحيوية ولكن المحدودة الموارد، تشير هذه العمل إلى أن الفحم النباتي المُحضّر بعناية يمكن أن يكون إضافة عملية وصديقة للمناخ إلى خطوط معالجة المياه.

الاستشهاد: Promma, D., Kaewjan, T., Induvesa, P. et al. Challenges and opportunities of Napier grass-derived biochar via liquefied gas for humic acid adsorption and DFT analysis. Sci Rep 16, 13235 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43639-w

الكلمات المفتاحية: فحم حيوي, مياه شرب, حمض عُفني, منتجات جانبية للتطهير, عشب نايبر