קינטיקה ואיזותרמות ספיחה להסרת מלכיט ירוק מממיס מימי באמצעות TiO2 טעון על ננו‑קומפוזיט f‑MWCNTs

מדוע ניקוי מי ביוב צבעוניים חשוב

צבעים סינתטיים בוהקים מעניקים לנו בדים, עור ונייר צבעוניים, אך כאשר כימיקלים אלה נשפכים לאפיקי ניקוז תעשייתיים הם עלולים להישאר בנחלים ואגמים שנים רבות. אחד הצבעים הללו, המכונה מלכיט ירוק, מעורר דאגה מיוחדת כי הוא רעיל, עמיד ומתלווה אליו קשר לסרטן. המחקר הזה בוחן סוג חדש של חומר ננו‑קטן לניקוי — ננו‑קומפוזיט — שיכול לסלק את המלכיט הירוק מהמים במהירות וביעילות, ומצביע על דרכים מהירות ומעשיות יותר לטיפול במי שפכים תעשייתיים מזוהמים.

צבע עקשן ומנקה זעיר חדש

המלכיט הירוק נמצא בשימוש נרחב בעיבוד טקסטיל ולעור ואף שימש באופן שנוי במחלוקת בחקלאות דגים כסוכן אנטי‑מיקרוביאלי. כאשר הוא משתחרר לסביבה, הוא אינו מתפרק בקלות ושיטות טיפול מקובלות מתקשות לעתים להסירו לחלוטין. החוקרים התכוונו לעצב "ספוג" טוב יותר לצבע זה על‑ידי שילוב של שני חומרים מתקדמים: ננו‑חלקיקי די‑אוקסיד טיטניום וצינורות פחמן רב‑קירות ששחומרו פני השטח בקבוצות מכילות חמצן. בהעמסת די‑אוקסיד הטיטניום על הצינורות המותמרים יצרו חומר היברידי המיועד להציע גם שטח פנים גדול וגם אתרי פעולה רבים ליקשר מולקולות הצבע.

בניית ובחינת החומר ההיברידי על הצינורות

הצוות סינתז את הננו‑קומפוזיט באמצעות תהליך הידרותרמי, שבו אבקת די‑אוקסיד טיטניום מטופלת בתמיסה בסיסית חמה ואז מצורפת לצינורות הפחמן במים בתהליך ערבוב ממושך. הם בחנו בקפידה את האבקה המתקבלת במערך מיקרוסקופים וכלי ספקטרוסקופיה. הבדיקות אישרו שהדי‑אוקסיד טיטניום שמר על מבנה גבישי והתפלג באופן אחיד על רשת הצינורות במקום להיסחף לגושים נפרדים. מדידות ספיחת גז הראו ארכיטקטורה נקבובית וספוגית עם שטח פנים הגבוה ביותר מפעם יותר מזה של די‑אוקסיד טיטניום רגיל, כלומר מקום רב יותר ללכידת מולקולות צבע במהלך הטיפול.

הסרת צבע מהירה ויעילה מהמים

כדי לבדוק כמה טוב החומר החדש מנקה מים, החוקרים ערכו ניסויי באצ' שבהם כמויות קטנות של הננו‑קומפוזיט נערו עם תמיסות מלכיט ירוק בתנאים שונים. הם גילו שהביצועים תלויים בחוזקה בחומציות המים: ההסרה היתה מתונה בתנאים חומציים אך עלתה מעל 95 אחוז סביב pH בסיסי מתון של 8, שבו פני החומר נושאים מטען שלילי המושך את הצבע המטען חיובי. באופן יוצא דופן, בתנאים האופטימליים — pH 8, רק 0.005 גרם סופח ב‑10 מיליליטר תמיסה, ובטמפרטורת החדר — המערכת הגיעה לשיווי משקל בכ־10 דקות בלבד, והשיגה קיבולת ספיחה של כ‑39 מיליגרם צבע לגרם חומר. זה תואם או עולה על ביצועי סופחים מקובלים רבים, אך עם ניקוי מהיר בהרבה.

כיצד הצבע נדבק לפני השטח של הצינורות

בהתאמת הנתונים הניסיוניים למודלים מתמטיים סטנדרטיים שמתארים כיצד מולקולות נקשרות לפני השטח, המחברים הגיעו למסקנה שהמלכיט הירוק יוצר בעיקר שכבה יחידה על פני שטח יחסית אחיד, כפי שמתארת איזותרמת לנגמuir. בו‑זמנית, מודלים אחרים שמתחשבים בעוצמות קשירה משתנות ושכבות מרובות התאימו גם הם היטב לנתונים, מה שמרמז על שילוב של הדבקה פיזית וכימית. המודל הטמפורלי המתאים ביותר הראה שהקשירה אינה רק כתוצאה מהתנגשויות של מולקולות עם המשטח אלא כוללת אינטראקציות חזקות יותר, כגון משיכה אלקטרוסטטית בין מטענים הפוכים ואינטראקציה ייעודית עם קבוצות פני השטח. מיקרוסקופיה ומדידות אינפרא‑אדום לפני ואחרי קליטת הצבע תמכו בתמונה של מולקולות צבע המצטברות על המשטחים החיצוניים ובתוך הנקבים מבלי לשנות את המסגרת הגבישית הבסיסית.

שימוש חוזר והבטחה לתעשייה נקייה יותר

כדי שטכנולוגיית טיפול במים תהיה מעשית, מדי הניקוי חייבים להיות ניתנים לשחזור. החוקרים הראו שננו‑הקומפוזיט ניתן לשחזור על‑ידי שטיפה בתמיסת נתרן הידרוקסידי פשוטה וניתן לשימוש חוזר לפחות חמש פעמים כמעט ללא ירידה בביצועים. בסך הכל, המחקר מדגים כי שילוב מהונדס בקפידה של די‑אוקסיד טיטניום וצינורות פחמן פעילים יכול לשמש כספוג צבע מהיר, חזק וממוחזר. בעוד שהניסויים בוצעו בתמיסות מעבדתיות מפושטות ולא במי שפכים תעשייתיים אמיתיים, התוצאות מצביעות על מסלול מבטיח ליחידות טיפול קומפקטיות שיכולות במהירות להסיר צבעים מזיקים כמו מלכיט ירוק ממי שפכים לפני שהן מגיעות לסביבה.

ציטוט: Jomardani, F., shakeri, R., Akbarzadeh, R. et al. Adsorption kinetics and isotherms of malachite green removal from aqueous solution using TiO₂ loaded on f-MWCNTs nanocomposite. Sci Rep 16, 8567 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38582-9

מילות מפתח: טיפול במי שפכים, מלכיט ירוק, סופח ננו‑קומפוזיט, די‑אוקסיד טיטניום, צינורות פחמן מרובי קירות