تحويل عشب البولراش الضار إلى مادة معززة بالنحاس لإزالة الأصباغ

قد يكون عشب البولراش، وهو نبات رطب سريع النمو كثيراً ما يُنظر إليه كغطاء نباتي مزعج، له مسار ثانٍ غير متوقع في معالجة المياه الصناعية. فقد طوّر فريق بحثي في جامعة دوشيشا في اليابان طريقة لتحويل المخلفات الزراعية لهذا النبات إلى مادة كربونية معززة بالنحاس قادرة على انتزاع الأصباغ الصناعية من مياه الصرف — وذلك دون الحاجة إلى عوامل اختزال كيميائية خطرة تتطلبها كثير من الأساليب المماثلة.

قاد العمل، المنشور في Journal of Environmental Chemical Engineering، آصف علي، وهو طالب دكتوراه وحاصل على منحة MEXT، بالتعاون مع الأستاذين ميتشياكي ماتسوموتو ويوشيرو طهارة من قسم الكيمياء التطبيقية في كلية العلوم والهندسة بالجامعة. ويستهدفون واحدة من أكثر فئات التلوث الصناعي عناداً.

مشكلة مستمرة في مياه الصرف الصناعي

تنتج صناعات النسيج والورق ودباغة الجلود وتجهيز الأغذية جميعها مياه صرف تحتوي على أصباغ صناعية. وكثير من هذه المركبات مستقر كيميائياً ويقاوم التحلل الحيوي ويبقى في البيئة، ما يعني أنها عند وصولها إلى الأنهار والبحيرات والمياه الساحلية قد تشكل مخاطر على النظم البيئية المائية وعلى صحة الإنسان.

الفجوة بين ما تنتجه الصناعة وما تعالجه فعلاً كبيرة. وقد صاغ علي الدافع بوضوح، مشيراً إلى أن نسبة مقلقة تبلغ 20% من مياه الصرف النسيجية السامة والعسيرة التحلل تُصرف دون معالجة. وهذه النسبة غير المعالجة هي بالتحديد المجال الذي يمكن لتقنيات معالجة منخفضة التكلفة وقوية أن تُحدث فيه أكبر فرق — لا سيما في مناطق تفتقر إلى بنية تحتية متقدمة للمعالجة أو تكون غير قادرة على تحمل تكلفتها.

ومما يزيد الأمر تعقيداً أنه لا توجد طريقة معالجة واحدة تعمل عالمياً. فتركيب مياه الصرف يتفاوت تفاوتاً واسعاً بحسب كيمياء الصبغة والألياف المعالجة والمواد الكيميائية المساعدة المستخدمة، لذا تحتاج المصانع غالباً إلى الجمع بين عدة مراحل معالجة للوصول إلى معايير التصريف.

لماذا تعاني الأساليب التقليدية

كل خيار من الخيارات القائمة لإزالة الأصباغ من المياه يحمل معه أعباءه التشغيلية الخاصة. ويشير الباحثون إلى عدة فئات راسخة وقيودها:

• الفصل بالأغشية — فعّال في رفض جزيئات الصبغة، لكنه عرضة للانسداد ومعتمد على أنظمة الصيانة ومدخلات الطاقة.
• الأكسدة المتقدمة — قادرة على تفكيك المركبات العسيرة التحلل، لكنها كثيفة استهلاك الطاقة وقد تولّد منتجات ثانوية تحتاج هي نفسها إلى معالجة.
• الامتزاز على الكربون المنشط التجاري — مسار مثبت وفعّال على نطاق واسع، لكن إنتاج المادة وإعادة تنشيطها مكلفان، ما يقلل جاذبيته للعمليات ذات الحجم الكبير والهامش المنخفض.

توفّر المواد الماصة الكربونية المعدّلة بالمعادن وسيلة لتعزيز الأداء بما يتجاوز الكربون المنشط العادي، لكن الكيمياء غالباً ما تُدخل مشكلة أخرى: فكثير من مسارات التعديل تعتمد على عوامل اختزال كيميائية إضافية، ما يضيف تكلفة ومخاطر مناولة وتدفقات نفايات إلى العملية. وكان تقليل هذا العبء الكيميائي هدفاً تصميمياً محورياً لفريق دوشيشا.

بناء مادة ماصة من عشب مزعج

بدلاً من البدء من مادة كربونية أولية مكررة، اتجه الباحثون إلى مخلفات الزراعة. وقد اختير البولراش — ويُكتب أيضاً bulrush — كمادة أولية كربونية مستدامة، ما يحوّل نباتاً كثيراً ما يسدّ المجاري المائية وقنوات الصرف إلى مادة خام ذات قيمة.

مسار الانحلال الحراري المشترك أحادي الخطوة

طريقة الفريق هي انحلال حراري مشترك أحادي الخطوة في وعاء واحد، تُسخَّن فيه الكتلة الحيوية النباتية مع مادة أولية نحاسية هي نترات النحاس الثنائي ثلاثية الماء، وهيدروكسيد البوتاسيوم (KOH). وبدلاً من الحاجة إلى مرحلة اختزال منفصلة، يقود هذا المزيج نمو جسيمات النحاس النانوية صفرية التكافؤ في الموقع مباشرة على دعامة الفحم الحيوي الناتجة. ويوصف المنتج بأنه مركب ZVCu@BAC — نحاس صفري التكافؤ مثبّت على هيكل كربون منشط من الفحم الحيوي.

وتكمن أهمية توليد النحاس المعدني صفري التكافؤ في الموقع في أنه يتجنب خطوة الاختزال الكيميائي المنفصلة التي تتطلبها عادةً بروتوكولات التعديل المعدني. فيتكوّن النحاس حيث يُحتاج إليه، على سطح الكربون، كجزء من المعالجة الحرارية نفسها التي تحوّل الكتلة الحيوية إلى مادة ماصة.

سطح أمفوتيري

توصف المادة الناتجة بأنها مادة ماصة أمفوتيرية — أي أن كيمياء سطحها قادرة على التفاعل مع جزيئات الصبغة عبر أكثر من آلية واحدة. وهذا مهم لأن تلوث الأصباغ الصناعية ليس مشكلة كيميائية واحدة: فجزيئات الصبغة تحمل شحنات ومجموعات وظيفية مختلفة، والمادة الماصة القادرة على التعامل مع الأنواع موجبة الشحنة وسالبة الشحنة معاً أكثر تنوعاً بطبيعتها من مادة مضبوطة لفئة ضيقة من الملوثات.

مسار تخليق بأعباء كيميائية أقل

تستند جاذبية هذا النهج إلى ثلاث مزايا متقاطعة. أولاً، المادة الأولية هي كتلة حيوية نفايات وليست مادة تجارية مكررة، ما يخفض تكاليف المواد ويمنح نباتاً مزعجاً استخداماً منتجاً. ثانياً، تتجنب كيمياء التعديل عوامل الاختزال الكيميائية الخطرة، ما يقلل مخاطر المناولة ويبسّط خط العملية. ثالثاً، يحدث التحول بأكمله في خطوة انحلال حراري مشترك واحدة بدلاً من تسلسل متعدد المراحل من التشريب والاختزال والتنشيط.

ومجتمعةً، تشير هذه السمات إلى مادة ماصة يمكن إنتاجها — وربما إعادة تنشيطها — بملف تكلفة أكثر ملاءمة من الكربون المنشط التجاري، الذي حدده الباحثون كعائق رئيسي أمام التبني الأوسع.

من مادة مخبرية إلى محطة معالجة

تُرسي الدراسة استراتيجية التخليق وتضع المركب كمرشح لمعالجة المياه الملوثة بالأصباغ، لكن نقل مادة ماصة مخبرية إلى وحدة بالحجم الكامل يستلزم أسئلة يجب على أي مادة ناشئة أن تجيب عنها في نهاية المطاف. ومنها: كيف يؤدي المركب عبر التنوع الكامل لمياه الصرف النسيجية الحقيقية بدلاً من محاليل الصبغة النموذجية؛ ومدى سهولة إعادة تنشيطه وإعادة استخدامه عبر دورات كثيرة؛ وكيف يتصرف محتوى النحاس على مدى عمر المادة، بما في ذلك التخلص منه أو استعادته عند نهاية الاستخدام.

والدرس الأوسع من هذا العمل منهجي. فبمعالجة نبات غازي كمورد كربوني ودمج تكوين الجسيمات النانوية في الخطوة الحرارية نفسها التي تنشئ الدعامة، يقدم فريق دوشيشا نموذجاً يمكن لتدفقات أخرى من الكتلة الحيوية النفايات أن تحذو حذوه بشكل معقول.

لماذا يهم ذلك

تلوث المياه بالأصباغ الصناعية مشكلة عالمية ذات طابع محلي واضح: فهي تتركز حيث تعمل تجمعات صناعات النسيج والجلود والورق وتجهيز الأغذية، وتؤثر بشكل غير متناسب على مناطق ذات قدرة معالجة محدودة. لذا فإن التقنيات الرخيصة الإنتاج، والسهلة النشر، والمتسامحة في التشغيل ليست مجرد تحسينات تدريجية — بل هي الفرق بين وجود خيار معالجة على الورق واستخدامه فعلياً.

لن يحل تحويل عشب رطب إلى مادة ماصة وظيفية بالنحاس مشكلة مياه الصرف الصناعي بمفرده. لكنه يُظهر أن العوائق أمام إزالة أفضل للأصباغ — التكلفة والتعقيد الكيميائي والطلب على الطاقة — ليست خصائص ثابتة للمشكلة. إنها خيارات هندسية، وقد اتُّخذ هذا الخيار بشكل مختلف.

يعتمد هذا المقال على تقرير لـ Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.