تصنيع مستدام وتوصيف للفحوم النشطة عالية المساحة السطحية من مخلفات قشور الجوز والفستق عبر التنشيط الكيميائي

تحويل قشور المكسرات إلى أداة لتنقية المياه

كل عام تترك معالجة الأغذية وراءها جبالاً من قشور الجوز والفستق التي عادةً ما تُحرق أو تُلقى. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن تحويل تلك البقايا البسيطة إلى مادة إسفنجية قوية تُعرف بالفحم النشط، قادرة على احتجاز الملوثات من الماء والهواء. من خلال تحويل النفايات إلى أداة تنظيف، تربط هذه الدراسة الوجبات الخفيفة اليومية بتحدي عالمي يتمثل في توفير مياه شرب آمنة وحماية البيئة.

لماذا تحتاج المياه الأنظف إلى أسفنج أفضل

تُعد تلوث المياه أحد أكثر التهديدات البيئية إلحاحًا، حيث تتسرب المواد الكيميائية والأصباغ والملوثات الأخرى إلى الأنهار ومياه الجوف. تُعد إحدى أبسط طرق تنظيف الماء تمريره عبر مادة صلبة تعمل كالإسفنجة، فتلتقط المواد غير المرغوب فيها على سطحها. كلما كثر وجود الشقوق والجيوب الداخلية في هذه المادة، زادت قدرتها على احتجاز الملوثات. يُعد الفحم النشط مرشحًا رائدًا لأنه مليء بمسام دقيقة وله مساحة سطح داخلية هائلة مضمنة في كمية صغيرة من المادة. السؤال الرئيسي هو كيفية تصنيع هذا الفحم عالي الأداء بتكلفة منخفضة وبأمان ومن موارد لا تتنافس مع الغذاء أو الوقود.

من مخلفات القشر إلى فحم مسامي

ركز الباحثون على القشور الخارجية الخضراء للجوز والقشور الوردية الخارجية للفستق، وهي مخلفات زراعية شائعة في تركيا. دون أي تجهيز معقد، تم تسخين هذه القشور أولاً في غياب الأكسجين لتحويلها إلى مادة أولية غنية بالكربون. بعد ذلك عوملت هذه المادة الوسطية بعوامل كيميائية وسُخنت مجددًا، وهي خطوة تحفر شبكة معقدة من المسام. تمت مقارنة مادتين كيميائيتين: هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) استُخدم بثلاث تركيزات مختلفة، وكلوريد الزنك (ZnCl₂) استُخدم بتركيز قياسي واحد. من خلال تغيير نوع القشرة والمعالجة الكيميائية، تمكن الفريق من تحديد أي التركيبات أنتجت أفضل بنية "إسفنجية" لالتقاط الملوثات.

بناء غابة من التجاويف الخفية

أظهرت القياسات التفصيلية أن كلًّا من نوع القشرة والمعالجة الكيميائية شكّلا المادة النهائية بقوة. برزت قشور الجوز كمكون متميز: عندما عولجت بوصفة KOH الأقوى، كان للفحم الناتج مساحة سطح داخلية استثنائية، تزيد على 2300 متر مربع لكل غرام واحد — أي ما يقرب من نصف مساحة ملعب كرة قدم مضغوطة في رشة مسحوق. أنتجت قشور الفستق أيضًا فحومًا مسامية للغاية، لكنها كانت ذات مساحات سطحية أقل بعض الشيء. بالمقابل، أنتجت المعالجة القائمة على الزنك مسامًا أقل وبنية أبسط في كلا النوعين من القشور. كشفت صور المجهر أن KOH حفرت قنوات عميقة ومتصلة وأسنانًا خشنة، بينما أنشأ ZnCl₂ بشكل أساسي حفرًا أضلاً أشبه بالأوعية. أكدت اختبارات أخرى أن الفحوم كانت في الغالب أشكالًا غير منتظمة وغنية بالعيوب من الكربون، وهو ما يساعد فعليًا في خلق مزيد من المواقع التي تلتصق بها الملوثات.

ضبط الشكل والكيمياء لتحسين الالتقاط

بعيدًا عن العدد البحت للمسام، تهم أحجامها والطبيعة الكيميائية لسطح الكربون أيضًا. طوّرت العينات المعالجة بـKOH شبكة "هرمية": العديد من المسام الدقيقة لالتقاط الجزيئات الصغيرة، مرتبطة بقنوات أكبر قليلًا تساعد السوائل والغازات على الحركة عبر المادة. هذه البنية مثالية للمرشحات الواقعية، حيث تهم كل من السعة العالية وتدفق المادة بسهولة. أظهرت اختبارات العناصر أن معالجة KOH أزالت جزءًا كبيرًا من الأكسجين والعناصر الأخرى الأصلية من القشور، متركزة الكربون ومعيدة ترتيبه إلى هياكل عطرية أكثر تشبه الحلقات. بالمقابل، تركت المعالجة القائمة على الزنك مجموعات أكثر احتواءً على الأكسجين على السطح، ما قد يؤثر على كيفية تفاعل ملوثات محددة مع الكربون لكنه جاء على حساب انخفاض المساحة السطحية الإجمالية.

ما يعنيه ذلك بالنسبة للنفايات والمياه

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أن قشور الجوز والفستق الملقاة يمكن تحويلها إلى مواد ترشيح متقدمة، حيث أن قشور الجوز مع معالجة قوية بـKOH تعطي أكثر النتائج إقناعًا. تنافس هذه الفحوم المصنوعة من قشور المكسرات أو تتفوق على العديد من الفحوم النشطة التقليدية المصنوعة من الفحم أو الكتلة الحيوية الأخرى، مع انطلاقة من مادة متجددة ومشكلة كانت على نحو آخر. وعلى الرغم من أن العملية ما تزال تعتمد على درجات حرارة عالية وكيماويات يجب إدارتها بعناية، فإنها تشير إلى مستقبل يمكن أن تساعد فيه نفايات صناعة الأغذية في تنظيف المياه الملوثة، واحتجاز الغازات، ودعم التقنيات الخضراء، مغلقة حلقة بين توليد النفايات وحماية البيئة.

الاستشهاد: Kuyucu, A.E., Selçuk, A., Önal, Y. et al. Sustainable synthesis and characterization of high-surface-area activated carbons from walnut and pistachio shell wastes via chemical activation. Sci Rep 16, 12776 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43746-8

الكلمات المفتاحية: فحم نشط, مخلفات زراعية, تنقية المياه, إضفاء قيمة على الكتلة الحيوية, مواد مسامية