القضاء الفعّال على صبغة Basic Red 9 من مياه الصرف باستخدام أكاسيد معدنية خزفية تحتوي على الكربون كنانوهايبريدات جديدة

لماذا يهم تنظيف المياه الملونة

تجعل الصبغات الصناعية الزاهية ملابسنا وورقنا وعينات المختبرات ملفتة للنظر، لكن عندما تُغسل وتسير إلى مصرف الصرف تتحول إلى شكل عنيد من تلوث المياه. إحدى هذه الصبغات، المعروفة باسم Basic Red 9، قد تبقى في الأنهار والمياه الجوفية، وتضر بالكائنات المائية، وتشكل مخاطر صحية للبشر. تستكشف هذه الدراسة نوعاً جديداً من المواد الصلبة الصغيرة جداً التي يمكنها سحب هذه الصبغة المزعجة من الماء بكفاءة، مما يوفر مساراً عملياً نحو موارد أنقى وأكثر أمناً.

صبغة حمراء عنيدة في مياه الصرف اليومية

تُستخدم Basic Red 9 على نطاق واسع في النسيج والورق والعمل المخبري، ولا يلتصق منها سوى جزء طفيف بالمنتج النهائي. كثير منها ينتهي في مياه الصرف، حيث تحجب ألوانها الشديدة ضوء الشمس، وتعيق التمثيل الضوئي في النباتات المائية، ويمكن أن تتداخل مع الخلايا الحية. العديد من خيارات المعالجة الحالية—مثل الأغشية، الترسيب الكيميائي، أو التحلل المتقدم المدعوم بالضوء—إما مكلفة جداً، أو تولد نفايات إضافية، أو تواجه صعوبات في مياه الصرف الحقيقية والمعقّدة. الامتزاز البسيط، حيث تلتصق الملوثات بسطح مادة صلبة، جذاب لأنه سهل التشغيل، ولا يتطلب معدات معقّدة، وغالباً ما يمكن تنظيف المواد الصلبة وإعادة استخدامها. التحدي هو تصميم مادة صلبة تستطيع التقاط كمية كبيرة من الصبغة بسرعة وتستمر في العمل في وجود الأملاح والمواد الأخرى الموجودة عادة في المياه الحقيقية.

بناء منظفات صغيرة جديدة من الخزف والكربون

أنشأ الباحثون مادتين مرتبطتين عبر دمج أكاسيد معادن من السترونشيوم والكوبالت والمغنيسيوم مع الكربون في ما يسمونه نانوهايبريدات—مواد صلبة مكوّنة من عدة مراحل بلورية دقيقة مختلفة منسوجة معاً. استخدموا عملية بيشيني sol–gel، وهي طريقة مُتحكَّم بها لمزج أملاح معدنية مع عامل عضوي وتسخينها لتتكون جزيئات دقيقة ومتجانسة. أدى تسخين الخليط الابتدائي إلى 600 °م إلى إنتاج مادة واحدة، MSC600، ذات بنية قضيبية وأكثر انفتاحاً. وتسخينها إلى 800 °م أنتج MSC800، الذي كان له حبيبات أكثر انضغاطاً وكروية تقريباً ومناطق بلورية أكبر قليلاً. في كلتا الحالتين احتوت المواد النهائية على عدة مراحل خزفية بالإضافة إلى الكربون، مما منحها مجموعة غنية من مواقع السطح التي يمكن لجزيئات الصبغة أن تلتصق بها.

كيف تمسك المواد الجديدة بالصبغة

عند اختبار الفريق لهذه النانوهايبريدات في محاليل Basic Red 9، وجدوا أن إزالة الصبغة تعتمد بشدة على حموضة الماء. في الظروف الحمضية، حملت أسطح المادة شحنة موجبة، مما أدى إلى تنافر مع الصبغة الموجبة الشحنة وأدى إلى تنظيف ضعيف للغاية. عند الرقم الهيدروجيني القلوي، أصبحت الأسطح سالبة الشحنة وجذبت الصبغة بقوة، خصوصاً MSC600، الذي فضل حالته الشحنية وملمسه الأكثر انفتاحاً الامتصاص. أظهرت قياسات الأشعة تحت الحمراء التفصيلية أن عدة أنواع من التفاعلات كانت تلعب دوراً: الجذب الكهروستاتيكي بين الشحنات المتعاكسة، وروابط الهيدروجين، وتراص الحلقات العطرية للصبغة مع الكربون في المادة الصلبة، والارتباط بمواقع معدن–أكسجين. أكدت قياسات غاز النيتروجين أن كلا المادتين لديه مسام كبيرة وممكن الوصول إليها، مع توفير MSC600 لمساحة سطح وحجم مسام أكبر، مما يساعد جزيئات الصبغة الضخمة على الانتشار إلى الداخل والعثور على أماكن للالتصاق.

تنظيف سريع وقوي وقابل لإعادة الاستخدام

في اختبارات الأداء، التقطت كلتا المادتين كميات كبيرة من Basic Red 9، متجاوزة بكثير السعة المبلَّغ عنها للبدائل الشائعة مثل الكربون المنشط، أو البيوتشار، أو المخلفات الزراعية. بلغ أقصى امتصاص لـMSC600 حوالي 437 ملليغرام من الصبغة لكل غرام من المادة الصلبة، بينما بلغ MSC800 حوالي 313 ملليغراماً لكل غرام. حدث الامتصاص بسرعة، واستقر خلال نحو ساعة لـMSC600 ولفترة أطول قليلاً لـMSC800. أظهر تحليل تغير تركيز الصبغة مع الزمن ومع درجة الحرارة أن العملية كانت فيزيائية بدلاً من كيميائية بطبيعتها، وحدثت تلقائياً وأطلقت حرارة. والأهم من ذلك أن الصبغة يمكن إزالتها تقریباً تماماً باستخدام الحمض، مما يسمح بإعادة استخدام المواد الصلبة عدة مرات مع انخفاض متواضع فقط في الأداء. كما عملت جيداً في مياه صرف مخبرية حقيقية تحتوي على مزيج من الأملاح والأيونات الأخرى، حيث أزالت معظم الصبغة المضافة.

ماذا يعني هذا لمياه أنظف

لغير المتخصص، الخلاصة الرئيسية هي أن الباحثين صمموا "إسفنجات" صغيرة قابلة لإعادة الاستخدام يمكنها التقاط صبغة حمراء problematica من الماء بكفاءة أكبر بكثير من العديد من المواد الحالية. من خلال ضبط كيفية دمج مكونات الخزف والكربون ودرجة حرارة المعالجة بعناية، صنعوا أسطحاً تجذب الصبغة بقوة، وتمتلئ بسرعة، ثم يمكن تنظيفها وإعادة استخدامها. رغم أن هذه الاختبارات أُجريت على Basic Red 9، إلا أن مبادئ التصميم نفسها يمكن تكييفها لتطبيقات على صبغات وملوثات أخرى. قد يصبح مثل هذا الحل البسيط والفعال جزءاً من أنظمة معالجة عملية لمياه الصرف الصناعية والمخبرية، مساهماً في جعل الأنهار والمياه الجوفية أنقى وأكثر أماناً ومتماشية مع أهداف المبادرات العالمية للمياه النظيفة.

الاستشهاد: Al-Kadhi, N.S., Aljlil, S.A., Basha, M.T. et al. Efficient elimination of basic red 9 from wastewater using ceramic metal oxides containing carbon as novel nanohybrids. Sci Rep 16, 12235 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47555-x

الكلمات المفتاحية: إزالة صبغات مياه الصرف, مواد نانوية ماصة, هجين خزف-كربون, Basic Red 9, تنقية المياه