تخليق وتوصيف كيتوزان إيمينو فينيل 2-هيدروكسي-3-ميثوكسي كوسيلة ممتزة جديدة لإزالة الميثيل أورانج بفعالية

لماذا يهم تنظيف المياه الملونة

العديد من المنتجات اليومية—من الملابس الملونة زاهيًا إلى الورق المطبوع—تترك وراءها رواسب كيميائية ملونة في المياه. هذه الأصبغة الصناعية قد تبقى لفترات طويلة، مسببة ضررًا للحياة المائية وقد تؤثر على صحة الإنسان حتى عند مستويات منخفضة جدًا. تستعرض هذه الدراسة مادة جديدة مشتقة من النباتات وفضلات القشور يمكنها التقاط وإزالة واحد من هذه الأصبغة، الميثيل أورانج، من الماء بسرعة وكفاءة، ما يقدم نهجًا أكثر صداقة للبيئة لمعالجة مياه الصرف من صناعات النسيج والقطاعات ذات الصلة.

مساعدة طبيعية من نفايات المأكولات البحرية

تنطلق هذه العمل من الكيتوزان، مادة مستخرجة من الكيتين، وهو المكون البنيوي الموجود في قشور الروبيان والسرطانات وغيرها من القشريات. الكيتوزان مادة رخيصة وقابلة للتحلل وغير سامة، ولديها بالفعل قابلية لجذب الملوثات. ومع ذلك، لا يرتبط الكيتوزان العادي دائمًا بالأصبغة بقوة كافية أو لا يبقى مستقرًا تحت ظروف المعالجة الواقعية. لذلك سعى الباحثون إلى ترقية هذه المادة الطبيعية بربط مكون عضوي صغير إضافي ببنيتها، لخلق مواقع ربط جديدة مصممة لالتقاط جزيئات الصبغة بشكل أكثر فعالية.

بناء خرزات تنظيف أكثر ذكاءً

لتحضير المادة المحسّنة، شكّل الفريق أولاً الكيتوزان إلى خرزات صغيرة باستخدام حمض لطيف وحمام هيدروكسيد الصوديوم، مما أنتج جزيئات كروية يمكن التعامل معها وفصلها بسهولة عن الماء. ثم راجعوا هذه الخرزات بمركب يسمى 2-هيدروكسي-3-ميثوكسي بنزالدهيد باستخدام تسخين بالميكروويف. أنشأ هذه الخطوة روابط كيميائية جديدة معروفة باسم روابط الإيمن بين الكيتوزان والجزيء المضاف، منتجة ما أسماه الباحثون كيتوزان إيمينو فينيل 2-هيدروكسي-3-ميثوكسي. أظهرت صور المجهر أن الخرزات المعدلة كانت أكثر خشونة ومسامية من الخرزات الأصلية الملساء، وكشفت قياسات مساحة السطح أن المساحة المتاحة للارتباط زادت بنحو خمسة أضعاف، من 8.6 إلى 42.8 متر مربع لكل غرام.

كيف تحاصر الخرزات جزيئات الصبغة

حقق الفريق في بنية وسلوك الخرزات الجديدة بعدة تقنيات. أكدت مطيافية الأشعة تحت الحمراء أن الروابط الكيميائية المستهدفة قد تشكلت وأن مجموعات الأمين الحرة الأصلية في الكيتوزان قد تحولت إلى حد كبير إلى الهياكل الإيمنية الجديدة. أظهرت قياسات الأشعة السينية أن المادة أصبحت أكثر أمورفية—أي أقل ترتيبًا—بعد التعديل واحتواء الصبغة، وهو نمط شائع عند تغيير سلاسل البوليمر المرنة كيميائيًا. عندما سُمح للميثيل أورانج بالتماس مع الخرزات، أشارت التغيرات في إشارات الأشعة تحت الحمراء إلى أن عدة أنواع من التفاعلات تعمل معًا: جذب كهربائي بين مواقع مشحونة إيجابيًا على سطح الخرزات ومجموعات سالبة الشحنة على الصبغة، وروابط هيدروجينية، وتراص بين الحلقات العطرية المسطحة في كل من الصبغة والمجموعات العضوية المضافة. تفسر هذه القوى مجتمعة سبب التصاق الصبغة بقوة بالكيتوزان المعدل.

إيجاد أفضل شروط التنظيف

غيّر الباحثون بشكل منهجي حموضة الماء (الرقم الهيدروجيني)، ووقت التلامس، وتركيز الصبغة، ودرجة الحرارة وجرعة الخرز لفهم الأداء وتحسينه. عملت الخرزات بأفضل أداء في مياه حمضية خفيفة حول الرقم الهيدروجيني 4، حيث يحمل سطحها شحنات موجبة تجذب الصبغة ذات الشحنة السالبة. في ظل هذه الظروف، تمت إزالة معظم الصبغة خلال نحو 20 دقيقة، مع تحسّن طفيف عند أزمنة أطول، ما يدل على أن العملية سريعة. أدت زيادة الحرارة إلى تقليل كمية الصبغة المحتجزة، مما يشير إلى أن الارتباط طارد للحرارة وغير مفضل عند درجات حرارة أعلى. اقترحت النماذج الرياضية للبيانات أن جزيئات الصبغة تشكل طبقة مفردة ومكتظة بإحكام على مواقع متجانسة على سطح الخرز وأن خطوة تحديد المعدل تنطوي على روابط كيميائية أكثر منها الالتصاق الفيزيائي البسيط.

الأداء وإعادة الاستخدام والآفاق العملية

مقارنة بالعديد من الممتزات منخفضة التكلفة المصنوعة من قشور نباتية أو قشور بيض أو معادن طينية أو كيتوزان غير معدل، تميزت الخرزات الجديدة بفارق كبير، حيث التقطت ما يصل إلى نحو 445 مليغرامًا من الميثيل أورانج لكل غرام من المادة وأزالت أكثر من 98 بالمئة من الصبغة تحت الظروف المحسنة. والأهم من ذلك، أنه يمكن تجديد الخرزات بغسيل حمضي بسيط وإعادة استخدامها خمس مرات على الأقل مع احتفاظها بأكثر من 84 بالمئة من كفاءتها الأصلية. بشكل عام، تُظهر هذه الدراسة أن خرزات الكيتوزان المعدلة بذكاء والمستخرجة من نفايات بيولوجية واسعة الانتشار يمكن أن تعمل كـ"إسفنجات" قوية وقابلة لإعادة الاستخدام للأصباغ المستعصية، مما يشير إلى خيارات معالجة أكثر خضرة وأكثر تكلفة معقولة لمياه الصرف الصناعي الملوثة.

الاستشهاد: Khan, R., Zoreen, S., Khan, A. et al. Synthesis and characterization of 2-hydroxy-3-methoxyphenyl imino chitosan as a novel adsorbent for effective removal of methyl orange. Sci Rep 16, 14402 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50311-w

الكلمات المفتاحية: معالجة مياه الصرف, إزالة الأصباغ, خرز الكيتوزان, ممتز حيوي, ميثيل أورانج