Solar-driven photocatalytic ceramic membrane reactors from Tunisian clay for efficient paracetamol degradation

تخيل إمدادات المياه في العالم كأنها مسبح ضخم مشترك. مع مرور الوقت، يصبح هذا المسبح متسخاً قليلاً ليس فقط بسبب الطين، بل من ضيوف غير مرئيين: جزيئات صغيرة من الأدوية التي يتخلص منها الناس عبر التصريف. أحد هؤلاء الضيوف هو الباراسيتامول، وهو مسكن شائع للآلام لا يختفي دائماً في محطات معالجة المياه العادية. إنه يبقى عالقاً في الأنهار والبحيرات، وهو أمر ليس جيداً للأسماك أو لنا. لقد حاول العلماء بناء "فلتر خارق" لا يكتفي فقط بالإمساك بهؤلاء الضيوف، بل يدمرهم فعلياً باستخدام الضوء، تماماً كما يمكن لأشعة الشمس أن تبهت ملصقاً على حائط. هذا المجال من العلوم يسمى التحفيز الضوئي (photocatalysis). وهو يستخدم مواد خاصة تعمل كـمصانع صغيرة تعمل بالطاقة الشمسية؛ فعندما يصطدم بها الضوء، تُحدث تفاعلاً كيميائياً يفكك الملوثات إلى أجزاء غير ضارة. كان التحدي الكبير دائماً هو التكلفة: فصنع هذه الفلاتر الخاصة عادة ما يكون مكلفاً، واستخدام الأضواء الاصطناعية لتشغيلها يستهلك الكثير من الكهرباء.

الآن، تخيل فريقاً من العلماء قرروا أن يكونوا مبدعين. بدلاً من شراء مواد باهظة الثمن، نظروا إلى الأرض تحت أقدامهم. وجدوا نوعاً معيناً من الطين الأحمر في تونس، وهو رخيص وسهل التعامل معه. حولوا هذا الطين إلى فلتر سيراميكي، يشبه قطعة بسكويت صلبة ومسامية، ثم طلوه بمسحوق خاص يسمى ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2). هذا المسحوق هو "المصنع الشمسي" الذي يقوم بالعمل القذر. لقد بنوا آلة حيث تتدفق المياه المتسخة فوق فلتر الطين هذا بينما تسطع الشمس (أو مصباح الأشعة فوق البنفسجية) عليه. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان هذا الإعداد منخفض التكلفة والذي يعمل بالطاقة الشمسية يمكنه تنظيف الباراسيتامول بفعالية، ليكون وسيلة مستدامة لمعالجة المياه في الأماكن التي تشرق فيها الشمس بقوة ولكن تفتقر للمال لشراء معدات فاخرة.

فلتر الطين والمصنع الشمسي

في هذه الدراسة، أخذ الباحثون طيناً أحمر من منطقة مطماطة قابس في جنوب تونس وخبزوه عند درجة حرارة شديدة تصل إلى 1000 درجة مئوية لتحويله إلى غشاء سيراميكي متين. فكر في هذا الطين كأنه الهيكل العظمي للنظام. ولجعله يعمل كفلتر، أضافوا نشا الذرة قبل الخبز؛ وعندما ضربت الحرارة، احترق النشا، تاركاً وراءه شبكة من الأنفاق الصغيرة (المسام) لتدفق الماء من خلالها. ثم غمسوا هذه القوالب الطينية في "حساء" من جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) النانوية. هذا الطلاء هو المكون السحري. فعندما يصطدم الضوء بـ TiO2، يستيقظ ويبدأ في توليد "عوامل تنظيف" (تسمى جذور الهيدروكسيل) التي تهاجم وتفكك جزيئات الباراسيتامول.

أراد الفريق إيجاد الوصفة المثالية. اختبروا كميات مختلفة من "حساء" ثاني أكسيد التيتانيوم ليروا كم من الطلاء هو المقدار المناسب تماماً. وجدوا توازناً صعباً: إذا وضعت طلاءً قليلاً جداً، فلن تكون هناك عوامل تنظيف كافية للقيام بالمهمة. ولكن إذا وضعت الكثير، سيصبح الطلاء سميكاً جداً بحيث يسد الأنفاق الصغيرة في الطين، مما يمنع تدفق الماء. الأمر يشبه محاولة تنظيف نافذة بإسفنجة؛ القليل من الصابون يساعد، ولكن إذا تراكمت الكثير منه، فلن تتمكن من الرؤية من خلال الزجاج. اكتشفوا أن تركيز 0.6 جرام لكل لتر كان الأفضل تحت الأشعة فوق البنفجية الاصطناعية، بينما كان 1.0 جرام لكل لتر هو النقطة المثالية تحت ضوء الشمس الطبيعي.

زاوية الهجوم: لماذا الفوز يكون بالاستلقاء بشكل مسطح

كان الجزء الأكثر متعة في التجربة هو اختبار كيف يغير زاوية الفلتر النتائج. قام الباحثون بإمالة الغشاء بزوايا مختلفة: مسطح (0 درجة)، مائل قليلاً (20 درجة)، مائل بشدة (40 درجة)، ومائل جداً (60 درجة). قد تعتقد أن إمالته ستساعد الماء على الانزلاق بشكل أسرع أو تلتقط المزيد من الشمس، لكن النتائج فاجأتهم. الوضع الأفقي المسطح (0 درجة) كان الفائز الواضح.

لماذا؟ تخيل الشمس (أو مصباح الأشعة فوق البنفسجية) ككشاف ضوء يسلط الضوء مباشرة للأسفل. عندما يستلقي الفلتر بشكل مسطح، يتم ضرب السطح بأكمله مباشرة بالضوء، تماماً مثل لوح شمسي موضوع بشكل مسطح على سطح منزل. عندما أمالوا الفلتر، ضرب الضوء السطح بشكل مائل، مما يعني وصول طاقة أقل للسطح. الأمر يشبه كيف يصبح ظل العصا أطول عندما تميلها؛ المساحة الفعالة التي "تستحم بالشمس" تتقلص. ورغم أن الإمالة قد تساعد الماء على التدفق بشكل أسرع قليلاً، إلا أن فقدان طاقة الضوء كان ثمناً باهظاً للغاية. لقد سمح الإعداد المسطح بوصول أكبر قدر من الضوء إلى المحفز، مما أدى إلى أسرع عملية تفكيك للدواء.

النتائج: التنظيف باستخدام الشمس

كانت النتائج واعدة. تحت مصباح الأشعة فوق البنفسجية الاصطناعي، تمكن الغشاء المسطح ذو الطلاء الصحيح من تدمير حوالي 74.9% من الباراسيتامول في 5.5 ساعة. وعندما انتقلوا إلى ضوء الشمس الطبيعي، لم يكن الأمر سريعاً بنفس القدر (لأن ضوء الشمس يحتوي على كمية أقل من الأشعة فوق البنفسجية المحددة التي يحبها ثاني أكسيد التيتانيوم)، لكنه لا يزال قام بعمل جيد، حيث أزال حوالي 55.5% من الملوث في نفس الفترة الزمنية. وهذا يشير إلى أنه حتى بدون مصابيح كهربائية باهظة الثمن، فإن استخدام الشمس وحده يمكن أن يكون وسيلة قابلة للتطبيق لتنظيف المياه في المناطق المشمسة.

بحثت الدراسة أيضاً فيما يسمى "الانسداد" (fouling)، وهو عندما تتراكم الأوساخ على الفلتر وتسده. عادة، هذا أمر سيء يوقف تدفق الماء. ومع ذلك، ولأن هذا الفلتر "تحفيزي ضوئي"، فقد امتلك قوة تنظيف ذاتية خارقة. فبينما كان الضوء يضرب السطح، لم تهاجم عوامل التنظيف الباراسيتامول فحسب، بل بدأت أيضاً في تفكيك الأوساخ المتراكمة على الفلتر. وبينما تباطأ تدفق الماء بمرور الوقت، استمر الفلتر في العمل بجد لتدمير الملوثات، مما أثبت أن الضوء كان يساعد في الحفاظ على السطح نظيفاً نسبياً.

الاستمرارية والسلامة

تحقق الباحثون أيضاً مما إذا كان بإمكان استخدام فلتر الطين الخاص بهم مراراً وتكراراً. لقد مرروه عبر خمس دورات. لسوء الحظ، لم يبقَ الفلتر مثالياً؛ فقد انخفضت قدرته على التنظيف بشكل كبير بعد الاستخدامات القليلة الأولى، حيث فقد حوالي 70% من كفاءته بحلول الجولة الخامسة. هذا يشير إلى أن الطلاء قد يكون يتلاشى أو يُسد بواسطة بقايا عنيدة لم يستطع الضوء تفكيكها تماماً. وبينما يعني هذا أن الفلتر ليس حلاً "أبدياً" بعد، إلا أنه أظهر أنه لا يزال بإمكانه العمل لفترة، ويقترح الفريق أن طرق التنظيف البسيطة يمكن أن تساعد في إعادته للحياة.

أخيراً، أرادوا التأكد من أن الأجزاء الناتجة عن تفكك الباراسيتامول ليست خطيرة. باستخدام النماذج الحاسوبية، توقعوا أن الجزيئات الجديدة الأصغر التي نتجت بعد عملية التنظيف كانت أقل سمية بكثير للأسماك والطحالب من الدواء الأصلي. هذه خطوة حاسمة: فهي تعني أن الفلتر لا يقوم فقط بنقل المشكلة من مكان لآخر، بل يجعل الماء أكثر أماناً بالفعل.

الخلاصة

تظهر هذه الورقة البحثية أنك لست بحاجة إلى مواد عالية التقنية وباهظة الثمن لمحاربة تلوث المياه. فمن خلال استخدام الطين التونسي المحلي وقوة الشمس، من الممكن بناء فلتر يفكك الأدوية الشائعة بفعالية. وبينما يحتاج الفلتر إلى بعض الضبط ليدوم لفترة أطول ويعمل بشكل أفضل، فإن الدراسة تثبت أن النهج البسيط ومنخفض التكلفة الذي يعمل بالطاقة الشمسية هو إمكانية حقيقية لتنظيف المياه في الأجزاء المشمسة من العالم. إنها تذكير بأن أفضل الحلول أحياناً تكون تحت أقدامنا، تنتظر فقط القليل من الضوء لتوقظها.