أسفنجة مركبة من الفحم المنشط/CMC–β-سايكلودكسترين قابلة للاسترجاع مغناطيسياً لامتصاص وتقليل كرومات (VI) عالي الأداء ومعالجة مياه صرف مستدامة

تنظيف السموم من المياه

تطلق العديد من الصناعات مياه صرف قد تحتوي على كرومات سداسية التكافؤ، وهو معدن شديد السمية مرتبط بالسرطان وتلف الأعضاء. تستكشف هذه الدراسة «أسفنجة مغناطيسية» جديدة مصنوعة من مواد منخفضة التكلفة وجزئياً طبيعية يمكنها سحب هذا الشكل الخطير من الكروم من الماء، والمساعدة في تحويله إلى شكل أكثر أمانًا، ثم إزالتها بسرعة وإعادة استخدامها بمغناطيس بسيط. تهدف الطريقة إلى جعل تنظيف المياه المتقدم أكثر عملية وبأسعار معقولة للاستخدام في العالم الحقيقي.

لماذا يشكل الكروم السداسي مشكلة

يعد الكروم السداسي ملوثًا ضارًا بشكل خاص لأنه يذوب بسهولة، ويسافر لمسافات بعيدة في المياه، ويتسلل إلى الخلايا الحية حيث يمكنه إتلاف الحمض النووي والأعضاء. حتى كميات ضئيلة قد تسبب مشاكل صحية خطيرة، من قروح جلدية إلى أمراض الكبد والكلى والرئة. كما يتراكم في النظم المائية، معطلاً المجتمعات الميكروبية ومرتفعًا في السلسلة الغذائية. غالبًا ما تكافح طرق المعالجة التقليدية لإزالة الكروم عندما يتواجد بمستويات منخفضة، أو تنتج أحجامًا كبيرة من الحمأة يصعب التعامل معها. وقد دفع ذلك البحث عن مواد أذكى يمكنها انتقاء الكروم بكفاءة عند التركيزات الواقعية وإعادة استخدامها عدة مرات.

بناء إسفنجة تنظيف مغناطيسية

ابتكر الباحثون مادة مركبة تسمى MACC بدمج ثلاثة مكونات رئيسية. أولاً، أنتجوا فحمًا منشطًا من قشور الرمان المهدرة، محولين بقايا زراعية إلى مادة مسامية للغاية مليئة بأنفاق صغيرة ومواقع تفاعلية. ثانيًا، نمّوا جزيئات أكسيد الحديد الدقيقة داخل هذا الفحم، مما منح المادة استجابة مغناطيسية قوية بحيث يمكن سحبها من الماء بمغناطيس خارجي. ثالثًا، لفّوا الفحم المغناطيسي بهلام متقاطع مصنوع من بوليمرين حيويين، كاربوكسي ميثيل سيلولوز وβ-سايكلودكسترين. يضيف هذا الإطار الطري العديد من مواقع الارتباط الإضافية ويساعد في الحفاظ على تشتت الفحم والجزيئات المغناطيسية بشكل متساوٍ في بنية إسفنجية صالحة للماء.

كيف تلتقط الإسفنجة الكروم وتُخضعه

عندما توضع إسفنجة MACC في ماء ملوث بالكروم، تعمل عدة عمليات مفيدة في وقت واحد. تحمل سطحية الإسفنجة العديد من المجموعات الكيميائية التي تجذب أنواع الكروم المشحونة سلبًا، فتنشد أيونات الكروم إلى المسام وتُحتجز هناك كما تُمسك السنابل بالأقمشة. داخل الإسفنجة، يمكن لبعض هذه المجموعات، مع الحديد في الجسيمات المغناطيسية، أن تتبرع بالإلكترونات للكروم السداسي، محولةً جزءًا منه إلى كروم ثلاثي التكافؤ، وهو أقل سمية وتحركًا بشكل ملحوظ. تُظهر قياسات متقدمة، بما في ذلك التحليل الطيفي السطحي والمجهرية، أن الكروم ينتهي به الأمر ملتصقًا بالسطح الخارجي وراكدًا عميقًا داخل المسام، مكونًا رواسب مستقرة لا تُغسل بسهولة.

إيجاد أفضل ظروف العمل

نظرًا لأن معالجة مياه الصرف الواقعية يجب أن توازن بين الأداء والتكلفة والوقت، استخدم الفريق طريقة تحسين إحصائية تسمى منهجية سطح الاستجابة لاختبار تراكيب مختلفة من الرقم الهيدروجيني، وجرعة الإسفنجة، ووقت التلامس. اكتشفوا أن المياه قليلة الحموضة (حوالي الرقم الهيدروجيني 4)، وكمية صغيرة نسبيًا من الإسفنجة، وحوالي ساعة ونصف من التلامس أعطت أفضل النتائج. في هذه الظروف، يمكن لكل غرام من MACC أن يلتقط أكثر من نصف غرام من الكروم، وهي سعة عالية جدًا مقارنة بالعديد من المواد الموجودة. نمَت طريقة امتصاص الكروم مع الزمن والتركيز بما يتوافق مع نماذج تشير إلى عملية ارتباط كيميائي بدلًا من الالتصاق الفيزيائي البسيط، وأصبح العملية أكثر فاعلية في درجات الحرارة الدافئة.

من مادة مخبرية إلى أداة عملية

بعد التنظيف، يمكن رفع إسفنجة MACC بمغناطيس، وشطفها بمحلول قاعدي لإزالة جزء كبير من الكروم المحتجز، ثم إعادة استخدامها. أظهرت الاختبارات على مدار عدة دورات أن الإسفنجة تحافظ على بنيتها ومعظم أدائها، مما يجعلها أداة قابلة لإعادة الاستخدام بدلاً من نفاية للاستخدام مرة واحدة. بوجه عام، تُظهر هذه الدراسة أن إسفنجة مغناطيسية مصنوعة من فحم نباتي وبوليمرات حيوية وأكسيد حديد يمكنها إزالة وتعطيل جزءًا من معدن خطير من الماء بكفاءة، مع سهولة جمعها وتجديدها. يمكن لمثل هذه المواد أن تسهم في جعل مياه الشرب أكثر أمانًا ومعالجة مياه الصرف الصناعية المستدامة أكثر قابلية للتحقق على نطاق واسع.

الاستشهاد: Alhasani, M.A., Alatawi, R., Sallam, S. et al. Magnetically recoverable activated carbon/CMC–β-cyclodextrin composite sponge for high-performance Cr(VI) adsorption, reduction, and sustainable wastewater treatment. Sci Rep 16, 16136 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46358-4

الكلمات المفتاحية: تلوث الكروم, ممتص مغناطيسي, معالجة مياه الصرف, أسفنجة الفحم المنشط, إزالة المعادن الثقيلة