نانوكومبوزيت مكوَّن من جوثيت مُشتق من خردة الحديد ونانورودات α-MnO2 للحجز الفعّال لإجمالي الزرنيخ من الوسط المائي

تحويل الصدأ إلى أداة لتنقية المياه

يشرب ملايين الأشخاص حول العالم ماءً ملوّثًا بالزرنيخ، العنصر السام المرتبط بالسرطانات وأمراض خطرة أخرى. تبحث هذه الدراسة في طريقة ذكية للتعامل مع المشكلة من خلال تحويل خردة الحديد إلى إسفنجة دقيقة متطوّرة قادرة على نزع أشكال مختلفة من الزرنيخ من الماء في خطوة واحدة وبسيطة. يجمع هذا العمل بين تنظيف التلوث وإعادة تدوير النفايات، مبينًا كيف أن معادن الصدأ القديمة يمكن أن تساهم في حماية مياه الشرب المستقبلية.

لماذا من الصعب إزالة الزرنيخ من الماء

يتواجد الزرنيخ طبيعياً في العديد من الصخور الجوفية ويمكن أن يتسرّب إلى الآبار والمكامن المائية. يظهر في الماء بشكلين رئيسيين: شكل مشحون وشكل محايد. الشكل المشحون أسهل للاحتجاز بواسطة مواد الترشيح الشائعة، بينما الشكل المحايد يتحرك بحرية أكبر وهو أكثر ضرراً للصحة. تتطلب طرق المعالجة الحالية غالبًا خطوة كيميائية منفصلة لتحويل الشكل المحايد الأكثر خطورة إلى الشكل المشحون الأسهل في الالتقاط، مما يزيد التكلفة والتعقيد وأحيانًا يضيف ملوثات جديدة. بحث الباحثون عن مادة قادرة على التعامل مع كلا الشكلين معًا، بسرعة وبشكل آمن.

بناء إسفنجة دقيقة من خردة الحديد

صَمّم الفريق مادة جديدة بدمج مكونين معروفين. أولاً، جمعوا خردة حديد من كومة نفايات في الحرم الجامعي وعالجوها بحمض وقاعدة لتشكيل جوثيت، وهو معدن يشبه الصدأ ذو مساحة سطحية كبيرة والعديد من المواقع التفاعلية التي تجذب شكل الزرنيخ المشحون. ثانياً، سينثزوا قضبانًا رفيعة من نوع خاص من أكسيد المنغنيز المعروف بقدرته على تحويل الشكل المحايد من الزرنيخ إلى الشكل المشحون. من خلال طحن هذين المكونين معًا، أنشأوا نانوكومبوزيت: مسحوق بني داكن مكوّن من جسيمات نانوية وقضبان نانوية مختلطة، غني بالمسام والنقاط التفاعلية حيث يمكن أن يلتصق الزرنيخ.

إلقاء نظرة داخل المادة الجديدة

لتأكيد ما صنعوه، استخدم العلماء مجموعة من أدوات التصوير والتحليل التي تكشف بنية وتركيب المواد على مقياس النانو. أظهرت مجاهر الإلكترون أن الجوثيت المستخلص من الخردة يتكوّن من حبيبات صغيرة وغير منتظمة، بينما يظهر أكسيد المنغنيز على شكل قضبان متشابكة. في المادة المركبة، تمت مزج هذه المكونات بشكل وثيق مكوّنة شبكة مسامية. كشفت قياسات السطح أن المركب يمتلك مساحة داخلية وحجم مسام أكبر بكثير من معدن الخردة الأصلي، مما يوفر العديد من المواقع لالتقاط أيونات الزرنيخ. أظهرت اختبارات الطيف قبل وبعد التعرض للزرنيخ أن ذرات الزرنيخ ارتبطت بقوة بالسطح وأن الشكل المحايد قد تحوّل إلى الشكل المشحون الأكثر أمانًا أثناء التلامس مع المركب.

مدى فعاليته في تنظيف الزرنيخ من الماء

في اختبارات داخل دفعات ماء، أزال مقدار صغير من المسحوق أكثر من 80 بالمئة من الزرنيخ من ماء ملوث خفيفًا خلال نحو 20 دقيقة، عبر نطاق pH مشابه لمعظم المياه الطبيعية. أظهر المادة قدرة قوية بشكل خاص على الشكل المشحون لكنها عملت جيدًا أيضًا على الشكل المحايد لأنها أولاً أكسدت الأخير ثم احتجزته. أشارت النماذج الرياضية لبيانات الاختبارات إلى أن العملية محكومة بالتكوّن الكيميائي للرابطة أكثر من اللصق الفيزيائي البسيط، وأن الزرنيخ يشكل طبقة رقيقة تغلف السطح مع مرور الزمن. استمر المركب في العمل بوجود مكونات مائية شائعة أخرى مثل الكلوريد والكبريتات والكربونات، وقلّل الزرنيخ في عينات مياه جوفية حقيقية إلى مستويات أقل من إرشادات منظمة الصحة العالمية.

استخدام وإعادة استخدام إسفنجة الزرنيخ

إمكانية إعادة الاستخدام ضرورية لأي فلتر عملي. اختبر الباحثون عدة دورات تم فيها شطف المسحوق المشبع بالزرنيخ بمحلول قاعدي لإزالة الملوث ثم إعادة استخدامه. حتى بعد خمس دورات من هذا النوع، احتفظت المادة بأكثر من أربعة أخماس أدائها الأصلي لكلا شكلي الزرنيخ. هذا يشير إلى أنه مع مزيد من الهندسة لتصميم خرطوشات مرشّح أو أسرّة محشوة، يمكن أن يوفر المركب خيارًا طويل الأمد لأنظمة مجتمعية صغيرة أو وحدات منزلية، خصوصًا في المناطق التي تتوفر فيها خردة الحديد وتنتشر فيها مشكلة تلوث الزرنيخ.

ماذا يعني هذا لمياه آمنة

تُظهر الدراسة أن نفايات الحديد يمكن ترقيتها إلى مادة ترشيح قوية وقابلة لإعادة الاستخدام تحول وتلتقط في الوقت نفسه الأشكال الرئيسية للزرنيخ الموجودة في المياه الجوفية، ضمن ظروف مياه الشرب المعتادة. للقراء غير المتخصصين، الرسالة الأساسية بسيطة: يمكن تسخير الكيمياء المعدنية والصدا لصنع مياه بئر أكثر أمانًا، مع تحويل مخلفات صناعية إلى مورد قيّم. مع مزيد من الاختبارات خارج المختبر، قد يساهم هذا النهج في حلول أكثر ميسورية واستدامة لمعالجة الزرنيخ في المجتمعات المتأثرة.

الاستشهاد: Panda, A.P., Kumari, P., Gilani, B.I. et al. Nanocomposite of iron-junk derived goethite and α-MnO₂ nanorod for efficient sequestration of total arsenic from aqueous medium. Sci Rep 16, 15946 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46992-y

الكلمات المفتاحية: إزالة الزرنيخ, مياه جوفية, نفايات حديد, ممتص نانوكومبوزيت, معالجة المياه