تعزيز وتحسين لإزالة أيونات النيكل بكفاءة باستخدام الفحم النشط المعدَّل

لماذا يهم نزع المعادن من المياه

يُستخدم النيكل على نطاق واسع في إنتاج البطاريات والإلكترونيات والطلاءات المعدنية اللامعة—لكن عندما يتسرب إلى الأنهار والمياه الجوفية، يصبح سمًا طويل الأمد. يمكن أن يتلف الأعضاء ويعطل الحمض النووي ويتراكم في الأسماك والمحاصيل التي يتناولها الناس لاحقًا. تكافح العديد من المصانع لإزالة النيكل المذاب من مياه الصرف بكفاءة وبتكلفة منخفضة. تستعرض هذه الدراسة مادة مرشِّحة منخفضة التكلفة وقابلة لإعادة الاستخدام مصنوعة من الفحم النشط عُدلت خصيصًا لالتحام أيونات النيكل بقوة أكبر، مقدِّمةً طريقة عملية لحماية مياه الشرب والبيئة.

تحويل الكربون الشائع إلى إسفنجة أذكى

ابتدأ الباحثون بفحم نشط تجاري، وهو فحم مسامي يُستخدم بالفعل في العديد من المرشحات. عبر معالجته بمزيج يُعرف بمحلول فونتن—ماء أكسجين وملح حديدي في وسط حمضي—نقشوا وأكسدوا السطح. خلّق هذا الإجراء ما يسميه الفريق الفحم النشط المعدَّل (MAC)، الذي يمتلك مساحة سطح داخلية أكبر والعديد من المجموعات الكيميائية المحتوية على الأكسجين. تعمل هذه المجموعات كخطاطيف صغيرة يمكنها التمسك بأيونات المعادن المذابة. أكدت الاختبارات باستخدام الأشعة تحت الحمراء وامتصاص الغازات والمجهر الإلكتروني أن المادة الجديدة طورت بنية مسامية عالية تشبه الإسفنجة بميزات نانوية ومواقع تفاعلية وفيرة.

إيجاد الوصفة الأفضل لالتقاط النيكل

وجود مادة جيدة وحده لا يكفي؛ طريقة استخدامها في الماء مهمة أيضًا. غيّر الفريق بشكل منهجي أربعة ظروف أساسية: زمن ملامسة الماء مع MAC، ومدى حموضته (pH)، وكمية MAC المستخدمة، وتركيز النيكل. باستخدام منهجية إحصائية تُدعى منهجية سطح الاستجابة، أجروا 54 تجربة مُختارة بعناية وبنوا نموذجًا رياضيًا يتنبأ بكمية النيكل التي يمكن إزالتها تحت أي تركيبة من هذه الإعدادات. طابقت التوقعات القياسات جيدًا وأظهرت أن كمية MAC المستخدمة لكل لتر ماء هي العامل الوحيد الأكثر أهمية، تليها تركيز النيكل الابتدائي. وكانت أفضل الشروط هي ماء شديد الحموضة (pH 1)، وزمن ملامسة 150 دقيقة، وجرعة MAC صغيرة نسبيًا تبلغ 0.2 غرام لكل لتر، وتركيز نيكل 125 ملغ/لتر.

كيف يلتصق النيكل داخل المرشح

لفهم ما يحدث على المستوى الميكروسكوبي، تتبّع الباحثون سرعة امتصاص النيكل وكيفية توزيعه على سطح MAC. تتوافق البيانات الزمنية مع نوع من النماذج الحركية التي تشير إلى «الامتزاز الكيميائي»، ما يعني أن النيكل يشكل روابط أقوى وأكثر تحديدًا بدلًا من مجرد جذب فيزيائي ضعيف. أظهرت اختبارات الاتزان أن السلوك يتوافق مع تكوين طبقة أحادية إلى حد كبير من النيكل على أنواع متعددة من المواقع داخل المسام. وأشارت سطر ثالث من التحليل إلى أن الربط ينطوي على تبادل أيوني وتفاعلات كهرستاتيكية، حيث تتبادل أيونات النيكل مواضعها مع شُعَيراتً مشحونة أخرى على سطح الكربون. معًا، ترسم هذه النتائج صورة تثبيت كيميائي منظم للنيكل بدلاً من التصاق عشوائي بسيط.

إعادة استخدام المرشح وحساب التكلفة

يجب أن تكون أي معالجة عملية ميسورة وقابلة لإعادة الاستخدام. كرر الفريق دورات MAC خلال خمس جولات من التقاط النيكل وشطف حمضي. رغم انخفاض الأداء قليلًا، استمرت المادة في إزالة معظم النيكل بعد عدة استخدامات، محافظًة على نحو 85٪ من سعتها الأصلية. أظهر تحليل تكلفة بسيط، استنادًا إلى أسعار محلية للفحم والمواد الكيميائية بالإضافة إلى الكهرباء للتحريك، أن إنتاج كيلوغرام واحد من MAC يكلف أقل من دولار أمريكي واحد—أرخص من العديد من أنواع الفحم النشط التجارية. هذه التكلفة المنخفضة، مجتمعةً مع أداء قوي، تجعلها جذابة لمحطات معالجة مياه الصرف على نطاق واسع.

ما يعنيه ذلك لمياه أكثر أمانًا

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أن شكلاً معدَّلاً وغير مكلف من الفحم يمكنه سحب كميات كبيرة من النيكل السام من الماء، مرارًا وتكرارًا، باستخدام خطوات معالجة بسيطة. عبر ضبط شروط مثل الحموضة وزمن الملامسة وكمية المادة المستخدمة، يمكن للمهندسين تحقيق مستويات إزالة عالية جدًا بكمية صغيرة نسبيًا من MAC. وبما أن المادة رخيصة ومقاومة لتيارات حمضية قوية وقابلة للتجديد، فهي خيار جذاب للمصانع والبلديات الساعية لخفض تلوث المعادن الثقيلة قبل أن يصل إلى الأنهار والتربة وسلسلة الغذاء.

الاستشهاد: Abdel-Moniem, S.M., Mohammed, R., Ibrahim, H.S. et al. Enhancing and optimization for efficient removal of nickel ions by modified activated carbon. Sci Rep 16, 12700 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46490-1

الكلمات المفتاحية: إزالة النيكل, الفحم النشط, معالجة مياه الصرف, المعادن الثقيلة, تنقية المياه