تركيب وتقييم نانومركبات جديدة لإزالة أيونات الزنك من المحاليل المائية

لماذا تهم إزالة المعادن من الماء

تطلق العديد من المصانع والمنتجات اليومية آثارًا من المعادن في الأنهار ومياه الصرف. الزنك أحد هذه المعادن: يحتاج جسم الإنسان كميات ضئيلة منه، لكن الجرعات الأكبر قد تضر بالأسماك والنباتات والبشر. تستقصي هذه الدراسة مادة جديدة وبسيطة نسبيًا يمكنها سحب فائض الزنك من الماء، مما يساعد على جعل محطات المعالجة أكثر فعالية واقتصادية.

إسفنجة جديدة للمعدن في الماء

أنشأ الباحثون جسيمات صلبة نانوية تعمل مثل الإسفنج لأيونات الزنك في الماء. هذه الجسيمات مزيج من كربونات الباريوم وأكسيد ألومينات الباريوم وكمية صغيرة من الكربون، مدمجة معًا في نانومركب. باستخدام وصفة كيميائية بسيطة تعرف بعملية بيكينِي (Pechini) سول–جيل، سوَّوا المادة عند 600 °م أو 800 °م، منتجين نسختين أُطلق عليهما BA600 وBA800. فُحصت كلتاهما بدقة بواسطة حيود الأشعة السينية ومجاهر إلكترونية لكشف البلورات المتشكلة، وحجم الجسيمات، وترتيب الأسطح.

كيف يشكل التركيب الأداء

تبين أن النانومركبين مختلفان في البنية الداخلية والملمس السطحي. احتوى BA600 على بلورات أصغر ومساحة سطح أكبر وحجم مسامات أعلى، بينما كان لدى BA800 حبيبات أكبر وأكثر تبلورًا لكن بمسام متاحة أقل. نظرًا لأن إزالة الزنك تحدث عندما تلتصق أيونات الزنك بمواقع فعالة على السطح، كانت لهذه الاختلافات أهمية عملية. أظهرت الاختبارات أن BA600 قادر على احتجاز ما يصل إلى نحو 124 ملليغرام من الزنك لكل غرام من المادة، بينما بلغ BA800 نحو 91 ملليغرامًا لكل غرام. أشارت قياسات الفريق إلى أن الزنك لم يقتصر على التراكم الضعيف على السطح؛ بل شكل ارتباطات أقوى تشبه الروابط الكيميائية مع مجموعات غنية بالأكسجين على الجسيمات.

إيجاد نقطة التوازن لإزالة الزنك

لفهم أفضل طريقة لاستخدام المادة الجديدة، راقب العلماء تأثيرات عوامل مثل الحموضة، ووقت التلامس، ودرجة الحرارة، والجرعة. تحسنت إزالة الزنك بشكل كبير مع ارتفاع قيمة الرقم الهيدروجيني للماء من acidic قوي نحو الحيادي، وتوقفت الزيادة عند pH حوالي 6، قبل أن يبدأ الزنك بالتشكل كهيدروكسيدات صلبة. أزال BA600 الزنك بسرعة أكبر من BA800، ووصل إلى أداء مستقر خلال نحو ساعة مقابل 80 دقيقة لـ BA800. أفضلت درجات الحرارة المنخفضة الإزالة، ما يشير إلى أن العملية مطلقة للحرارة وتعمل بشكل أفضل في مياه أبرد. عندما نمذج الباحثون تغطية الزنك للسطح، طابقت السلوك طبقة مفردة وموحدة من أيونات الزنك، متسقًا مع وجود مواقع سطحية محددة تمتلئ حتى التشبع.

إعادة الاستخدام، ومياه الصرف الحقيقية، والتنافس

تحرى الفريق أيضًا ما إذا كانت المادة ستظل فعالة في ظروف واقعية. غُسلت الجسيمات المحملة بالزنك بحمض الهيدروكلوريك، الذي أزال تقريبًا كل الزنك دون إذابة المادة نفسها. بعد خمس دورات استخدام وتجديد، حافظ BA600 على نحو 70% من كفاءته الأصلية في الإزالة، بينما احتفظ BA800 بنحو 45%، مما يشير إلى إمكانية إعادة الاستخدام عمليًا. عند تواجد مكونات شائعة في المياه مثل الصوديوم أو الكالسيوم أو الكبريتات، انخفضت إزالة الزنك قليلاً، بينما تنافست معادن أخرى مثل النحاس والنيكل بقوة أكبر. ومع ذلك ظل BA600 الخيار الأكثر انتقائية ومتانة. في مياه صرف مختبرية حقيقية تحتوي على أملاح ومواد عضوية عديدة، استمرّت المواد في التقاط كميات ملحوظة من الزنك، كانت أقل بقليل فقط مما أُحرز في المياه النقية.

ما المعنى بالنسبة لمياه أنظف

بشكل عام، تُظهر الدراسة أن جسيمات متعددة المكونات المصممة بعناية يمكنها حجز الزنك بكفاءة من المياه الملوثة باستخدام مسار تصنيع بسيط وقابل للتحكم. رغم أن بعض المواد المتطورة قد تحتجز زنكًا أكثر، يبرز هذا النانومركب من BaCO3/BaAl2O4/C لأدائه الجيد، وسهولة تصنيعه، وقدرته على التجدد وإعادة الاستخدام. عمليًا، قد يساعد BA600 خصوصًا أنظمة معالجة مستقبلية على إزالة مستويات ضارة من الزنك من مياه المصانع ومخلفات المختبرات، مقللاً المخاطر على النظم البيئية والصحة العامة.

الاستشهاد: Al-Kadhi, N.S., Aljlil, S.A., El-Feky, H.H. et al. Synthesis and evaluation of novel nanocomposites for removal of zinc ions from aqueous solutions. Sci Rep 16, 13889 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-51234-2

الكلمات المفتاحية: إزالة الزنك, ممتص نانومركب, معالجة مياه الصرف, المعادن الثقيلة, تنقية المياه