Cerium oxide modified biochar as an adsorbent for efficient phosphorus recovery

تخيل أن بحيرات وأنهار العالم هي مسابح ضخمة وشفافة. الآن، تخيل أن شخصًا ما بدأ بصب نوع خاص من الأسمدة غير المرئية في هذه المسابح. في البداية، يبدو الأمر غير ضار، لكن هذا السماد هو في الواقع "غذاء خارق" لنباتات صغيرة غير مرئية تسمى الطحالب. عندما يتوفر الكثير منه، تجنون الطحالب وتتكاثر بسرعة كبيرة لدرجة أنها تحول المياه إلى اللون الأخضر وتجعلها كثيفة، مما يحجب ضوء الشمس ويمتص كل الأكسجين. يُسمى هذا "الاستثراء الغذائي" (eutrophication)، وهو يشبه زحام المرور للأسماك والمخلوقات المائية الأخرى، مما يؤدي غالبًا إلى ازدهار سام يمكن أن يجعل الناس يمرضون إذا شربوا الماء أو أكلوا المأكولات البحرية. يطلق العلماء على الجاني اسم "الفوسفور"، وهو عنصر شائع يوجد في الأسمدة والمنظفات. التحدي الكبير هو أنه بينما نحتاج إلى إخراج هذا الفوسفور من الماء لإنقاذ الأنظمة البيئية، فإننا نريد أيضًا التقاطه حتى نتمكن من إعادة استخدامه كمورد، بدلاً من مجرد التخلص منه.

ولحل هذه المشكلة، غالبًا ما يستخدم العلماء "المواد الممتزة" (adsorbents)، وهي تشبه الإسفنجات المجهرية الضخمة التي تلتقط الملوثات. أحد الأنواع الشائعة لهذه الإسفنجات هو "الفحم الحيوي" (biochar)، وهو أساسًا فحم مصنوع من حرق المخلفات النباتية (مثل الخيزران) في فرن منخفض الأكسجين. إنه رخيص ويمتلك الكثير من الثقوب الصغيرة لاحتجاز الأشياء. ولكن في بعض الأحيان، لا يكون الفحم الحيوي العادي "لزجًا" بما يكفي للإمساك بالفوسفور بسرعة أو التمسك به بقوة. وهنا تبدأ قصة إسفنجة جديدة فائقة الشحن. تساءل الباحثون: ماذا لو استطعنا تغليف هذا الفحم النباتي بمعدن خاص معروف بكونه "مغناطيسًا" رائعًا للفوسفور؟ لقد اختاروا "السيريوم" (cerium)، وهو معدن من العناصر الأرضية النادرة، وقرروا معرفة ما إذا كان تحويله إلى جسيمات نانوية وتثبيتها على الفحم الحيوي للخيزران سيخلق مادة بطلة لتنظيف المياه.

تحكي هذه الورقة البحثية قصة كيف أنشأ الفريق هذه المادة الجديدة، والتي أطلقوا عليها اسم "Ce-BC" (الفحم الحيوي المعدل بالسيريوم)، واختبروها لمعرفة ما إذا كانت ستكون حقًا البطل الذي نحتاجه. بدأوا بأخذ قشر الخيزران، وطحنه، وخبزه عند درجة حرارة 400 مئوية لصنع الفحم الحيوي الأساسي. ثم استخدموا طريقة "حرارية مائية" (hydrothermal) خاصة — وهي تشبه طبخ الخليط في قدر محكم الإغلاق وعالي الضغط مع الماء والمواد الكيميائية — لإنماء جسيمات نانوية من أكسيد السيريوم مباشرة على سطح الفحم. فكر في الأمر كأنك ترش "جليتر" (بريق) فائق الالتصاق على قطعة من الفحم؛ هذا البريق (السيريوم) لا يكتفي بالجلوس فوق الفحم فحسب، بل يرتبط به لإنشاء سطح جديد أكثر قوة.

عندما نظروا إلى ابتكارهم تحت مجهر قوي (SEM)، كان الفرق واضحًا. بدا الفحم الحيوي العادي للخيزران كصخرة خشنة ومسامية. أما الـ Ce-BC الجديد، فقد كان مغطى بطبقة موحدة من الجسيمات الصغيرة التي تشبه الحبيبات، مما أكد أن السيريوم قد ثبت بنجاح على السطح. كما استخدموا أدوات أخرى لفحص "الحمض النووي" لمادتهم: حيث أظهر مطياف الأشعة تحت الحمراء أن المجموعات الكيميائية على السطح قد تغيرت، وأثبت تحليل الأشعة السينية وجود السيريوم في شكل بنية بلورية محددة (فلوريت مكعب)، وليس مجرد جسيمات عائمة بحرية.

جاء الاختبار الحقيقي عندما وضعوا هذه الإسفنجة الجديدة في ماء يحتوي على الفوسفور. كانت النتائج مبهرة. فبينما استطاع الفحم الحيوي العادي التقاط بعض الفوسفور، كان الـ Ce-BC أسرع بكثير وأكثر تمسكًا به. في الواقع، وصلت المادة الجديدة إلى أقصى قدرة لها على الالتقاط في حوالي 8 ساعات، حيث احتجزت حوالي 11 مليجرام من الفوسفور لكل جرام من المادة، مقارنة بـ 9 مليجرام فقط للنسخة العادية. لكن الجزء الأكثر إثارة هو كيفية عمل ذلك. اعتمد الفحم العادي بشكل أساسي على الاحتجاز الفيزيائي، مثل شبكة تصطاد الأسماك. أما الـ Ce-BC، وبفضل غطاء السيريوم، فقد عمل كأنه مغناطيس كيميائي. أظهرت البيانات أن العملية كانت "امتزازًا كيميائيًا" (chemisorption)، مما يعني أن الفوسفور شكل بالفعل رابطة كيميائية مع السيريوم، مما جعل من الصعب جدًا على الفوسفور الهروب.

كما تلاعب الباحثون بالظروف المختلفة لمعرفة كيف تتصرف الإسفنجة. وجدوا أن المادة تعمل بشكل أفضل في المياه الحمضية قليلاً (حوالي pH 5)، حيث تكون شحنة سطح الإسفنجة موجبة، مما يجذب أيونات الفوسفور سالبة الشحنة مثل الأقطاب المتضادة للمغناطيس. كما اكتشفوا أن الإسفنجة تعمل بشكل أفضل في المياه الدافئة، مما يشير إلى أن العملية تمتص الحرارة. ولعل الأهم من أجل الاستخدام في العالم الحقيقي، هو أنهم اختبروا ما إذا كان يمكن إعادة استخدام الإسفنجة. فبعد غسلها بمحلول تنظيف خفيف (هيدروكسيد الصوديوم) لتحرير الفوسفور المحتجز، أمكن استخدام الإسفنجة مرارًا وتكرارًا. وحتى بعد ثماني دورات كاملة من الالتقاط والتحرير، ظلت تحتفظ بأكثر من 80% من قوتها الأصلية.

في النهاية، تشير الورقة البحثية إلى أن هذا الفحم الحيوي المغطى بالسيريوم يعد أداة واعدة. فهو لا يلتقط الفوسفور فحسب، بل يغير طريقة تفاعل الفحم الحيوي مع الماء، محولًا إياه من مجرد فخ فيزيائي بسيط إلى صائد كيميائي متطور. وبينما يشير المؤلفون إلى أن هناك حاجة لمزيد من العمل قبل أن يكون جاهزًا لكل نهر وبحيرة، فإن نتائجهم توفر مخططًا قويًا لتصميم مواد أفضل وقابلة لإعادة الاستخدام لتنظيف مياهنا واستعادة الموارد القيمة، محولين مشكلة التلوث إلى حل محتمل.