Chitin-like Hollow Alumina Nano-adsorbent for Remediation of Arsenate- contaminated Water: Synthesis by Double Reversed-phase Microemulsion Method and Study of Enhanced Arsenate-removal Ability and Mechanism

الماء هو شريان الحياة لكوكبنا، ومع ذلك، فإنه يحمل لملايين البشر سماً صامتاً وغير مرئي: الزرنيخ. هذا العنصر، الذي يتسرب إلى الأنهار والمياه الجوفية من التكوينات الصخرية الطبيعية والنفايات الصناعية، هو سم قوي يمكن أن يسبب أمراضاً شديدة وسرطاناً حتى بكميات ضئيلة جداً. ولأن هذا العنصر خطير للغاية، فقد بحث العلماء طويلاً عن طرق لسحبه من الماء قبل أن يصل إلى صنابيرنا. غالباً ما تتطلب الطرق التقليدية معدات باهظة الثمن، أو كميات هائلة من الطاقة، أو تنتج حمأة سامة تصبح مشكلة جديدة. لقد كان التحدي يكمن في إيجاد مادة تكون رخيصة، وسهلة الاستخدام، وقوية بما يكفي للإمساك بجزيئات الزرنيخ والتمسك بها بإحكام، تاركة الماء نظيفاً.

في دراسة حديثة، طور باحثون من جامعة "هينان" في الصين مادة جديدة صُممت لتلبية هذه الاحتياجات بدقة. لقد صنعوا كرة صغيرة مجوفة من أكسيد الألومنيوم تشبه في شكلها وملمسها إلى حد ما القشرة الصلبة لجمبري أو سرطان البحر، وهو هيكل يُعرف في الطبيعة باسم "الكيتين". هذه المادة الجديدة ليست مجرد كرة صلبة؛ بل هي قشرة مجوفة مسامية ذات سطح خشن ومتعرج مغطى بنتوءات صغيرة. تمنح هذه الميزات المادة مساحة سطح هائلة بالنسبة لحجمها، مما يخلق عدداً لا يحصى من الخطافات والزوايا الصغيرة حيث يمكن لجزيئات الزرنيخ أن تلتصق. وقد صنع الفريق هذه المادة باستخدام تقنية ذكية تتضمن خليطاً من الزيت والماء يعمل كقالب، يشكل الألومنيوم في هذه الكرات المجوفة المثالية قبل خبزه ليأخذ شكله النهائي الصلب.

اختبر الباحثون مدى كفاءة هذه الكرات الصغيرة في تنقية المياه الملوثة بالزرنيخ. ووجدوا أن المادة تعمل بشكل أفضل عندما يكون الماء حمضياً قليلاً. في هذه الظروف، يصبح سطح كرات الألومنيوم مشحوناً بشحنة موجبة، بينما تحمل جزيئات الزرنيخ في الماء شحنة سالبة. تماماً كما تتجاذب الأقطاب المتضادة للمغناطيس، يقوم السطح الموجب للكرة بجذب الزرنيخ السالب نحوها، ويحبسه في مكانه. وعندما كان مستوى الرقم الهيدروجيني (pH) للماء 3.0، أزالت المادة ما يقرب من 99 بالمائة من الزرنيخ من المحلول. وحتى مع إضافة الباحثين لمزيد من المادة إلى الماء، زادت كمية الزرنيخ التي يمكنها التقاطها، مما يظهر أن المادة لا تتعب أو تمتلئ بسرعة.

ولفهم كيفية عمل المادة بدقة، راقب الفريق سرعة إزالة الزرنيخ وكمية ما يمكن استيعابه في المرة الواحدة. اتبع المسار نمطاً يمكن التنبؤ به حيث انتشرت جزيئات الزرنيخ بالتساوي عبر سطح الكرات، مكونة طبقة واحدة قبل أن تصل المادة إلى حدها الأقصى. أشار هذا السلوك إلى أن عملية الإزالة كانت تتم من خلال رابطة كيميائية مباشرة وقوية، بدلاً من مجرد التصاق فيزيائي ضعيف. كما أثبتت المادة استقراراً كبيراً أيضاً؛ فحتى بعد غسلها واختبارها مراراً وتكراراً على مدار شهر، استمرت في التمسك بالزرنيخ، ولم تطلق إلا القليل جداً منه مرة أخرى في الماء. وهذا يشير إلى أنه بمجرد الإمساك بالزرنيخ، فإنه يبقى عالقاً، مما يمنع تسربه مجدداً إلى البيئة.

كما بحثت الدراسة في كيفية صنع المادة لضمان إمكانية إنتاجها بشكل متسق. اكتشف الباحثون أن درجة حرارة حمام الماء وكمية مادة معينة تشبه الصابون المستخدمة لخلط أطوار الزيت والماء كانت عوامل حاسمة. فإذا كان الخليط بارداً جداً أو أُضيف الصابون بكمية خاطئة، فإن الكرات ستتكتل معاً أو تتخذ شكلاً خاطئاً. ومن خلال ضبط هذه الظروف بدقة، صنعوا مادة ذات مساحة سطح محددة تبلغ حوالي 395 متراً مربعاً لكل جرام مع وجود مسام دقيقة. وتؤكد هذه القياسات الدقيقة أن المادة عالية المسامية وجاهزة للعمل كإسفنجة للملوثات. وتشير النتائج إلى أن هذا "الألومينا" المجوف الشبيه بالكيتين يمكن أن يكون أداة عملية وفعالة لتنظيف الماء من الزرنيخ، مما يوفر بديلاً أبسط وأكثر فعالية للطرق الحالية.