A new strategy to prepare an activated adsorbent by water treatment plant sludge for Amoxicillin removal: optimization, characterization, isotherm, and kinetics studies

الماء هو أساس الحياة، ومع ذلك، فإن عملية استخدامه غالباً ما تترك وراءها أثراً من الملوثات غير المرئية. ومع نمو السكان وزيادة التوسع الصناعي، يختلط الماء الذي نشربه والماء الذي نصرفه بشكل متزايد مع آثار من الأدوية، ومنتجات العناية الشخصية، والمواد الكيميائية الصناعية. ومن بين هذه المواد، تشكل المضادات الحيوية مثل "الأموكسيسيلين" تحدياً خاصاً؛ فهذه العقاقير مصممة لقتل البكتيريا، ولكن عندما تمر عبر أجسادنا وتدخل في إمدادات المياه، فإنها لا تختفي دائماً، بل تبقى عالقة، مما قد يضر بالأنظمة البيئية المائية ويشجع على نمو البكتيريا المقاومة للأدوية التي تهدد صحة الإنسان. وغالباً ما تفتقر محطات معالجة المياه التقليدية إلى القدرة على تصفية هذه الآثار الكيميائية المحددة، مما يترك فجوة بين ما نحتاج لتنظيفه وما يمكن أن تحققه تقنياتنا الحالية.

واستجابة لهذه المشكلة المتنامية، يبحث العلماء عن حلول لا تكون فعالة فحسب، بل مستدامة وبأسعار معقولة أيضاً. ويتضمن أحد المسارات الواعدة تحويل أحد المنتجات الثانوية إلى مورد. إذ تنتج محطات معالجة المياه كميات هائلة من "الحمأة" (Sludge) — وهي بقايا شبه صلبة سميكة تتبقى بعد تنقية المياه. وعادة ما تُعامل هذه الحمأة كعبء، حيث تُدفن غالباً في مكبات النفايات حيث تشغل مساحة ولا تقدم أي فائدة. ومع ذلك، بدأ الباحثون يتساءلون عما إذا كان يمكن تحويل هذه المادة المهملة إلى شيء مفيد، وتحديداً أداة لالتقاط وإزالة الأدوية الضارة من الماء قبل أن تتسرب إلى البيئة.

لقد تصدى فريق من الباحثين في إيران لهذا التحدي، حيث طوروا طريقة جديدة لتحويل حمأة معالجة مياه الشرب إلى عامل تنظيف قوي. ويركز عملهم على إنشاء مادة متخصصة قادرة على سحب الأموكسيسيلين من الماء. تبدأ العملية بجمع الحمأة الخام من مرافق معالجة المياه في طهران. هذه المادة الرطبة والطينية يتم تجفيفها أولاً وطحنها لتصبح مسحوقاً ناعماً. ولجعلها فعالة، يعالج الباحثون هذا المسحوق بمحلول مخفف من حمض الهيدروكلوريك؛ حيث يعمل هذا الغسل الكيميائي كعملية تنظيف عميق، حيث يزيل الشوائب ويغير سطح المادة لجعلها أكثر قدرة على احتجاز جزيئات الدواء. والنتيجة هي نوع جديد من "المواد الممتزة" (Adsorbent)، وهي مادة تعمل مثل الإسفنجة، حيث تلتقط الملوثات وتتمسك بها بقوة.

ولفهم ما صنعوه بدقة، فحص العلماء المادة باستخدام مجموعة من أدوات التصوير والتحليل المتقدمة. ووجدوا أن المعالجة الحمضية غيرت البنية الفيزيائية للحمأة، مما خلق شبكة من المسام والقنوات الدقيقة التي لم تكن موجودة في المادة الخام. هذه المسام حاسمة لأنها توفر مساحة سطح شاسعة حيث يمكن لجزيئات الدواء أن تلتصق بها. كما كشف التحليل أن المادة غنية بالمعادن مثل الحديد والسيليكون، والتي تشكل العمود الفقري للمادة الممتزة الجديدة. وأكد الباحثون أن المعالجة نجحت في إزالة معادن الكربونات غير المرغوب فيها مع الحفاظ على البنية المسامية اللازمة للأداء العالي.

ثم وضع الفريق مادته الجديدة تحت الاختبار، حيث أجروا سلسلة من التجارب المصممة بعناية لتحديد أفضل الظروف لإزالة الأموكسيسيلين. وقد قاموا بتغيير حموضة الماء، وكمية المادة الممتزة المستخدمة، ودرجة الحرارة، ومدة ترك الخليط. واكتشفوا أن المادة تعمل بشكل أفضل عندما يكون الماء حمضياً قليلاً، وتحديداً عند درجة حموضة (pH) تبلغ 6. وفي ظل هذه الظروف، ومع إضافة كمية محددة من المادة الممتزة إلى الماء، أثبتت المادة فاعلية عالية في التقاط الدواء. ووُجد أن العملية هي الأكثر كفاءة في درجة حرارة الغرفة، مما يشير إلى عدم الحاجة إلى أنظمة تسخين أو تبريد باهظة الثمن للتطبيق في العالم الحقيقي.

وكان جزء رئيسي من تحقيقهم هو فهم كيفية تحرك جزيئات الدواء والتصاقها بالسطح. ووجد الباحثون أن عملية الامتزاز تتبع نمطاً يمكن التنبؤ به حيث تشكل جزيئات الدواء طبقة واحدة موحدة على سطح المادة، بدلاً من التراكم في كتل فوضوية. هذا السلوك، الذي يوصف بنموذج رياضي محدد يُعرف باسم "إيزوثيرم لانغموير" (Langmuir isotherm)، يشير إلى أن سطح المادة الممتزة الجديدة ثابت وموثوق للغاية. علاوة على ذلك، أظهرت الدراسة أن الرابطة بين الدواء والمادة الممتزة هي رابطة فيزيائية وليست كيميائية. وهذا اكتشاف هام لأن معناه أن الرابطة قوية بما يكفي للإمساك بالدواء ولكنها ضعيفة بما يكفي ليتم كسرها لاحقاً، مما يسمح بتنظيف المادة واستخدامها مرة أخرى.

كما تم اختبار متانة هذه المادة الجديدة. ووجد الباحثون أنه يمكن تجديد المادة الممتزة وإعادة استخدامها عدة مرات. فبعد استخدامها لتنقية دفعة من الماء، يمكن غسل المادة وإعادتها للخدمة. وقد حافظت على مستوى عالٍ من الفعالية حتى بعد ست دورات من الاستخدام، حيث احتفظت بالقدرة على إزالة 81.1 بالمائة من الدواء. وتعد قابلية إعادة الاستخدام هذه أمراً حيوياً لجعل العملية مجدية اقتصادياً، حيث تقلل من الحاجة إلى إنتاج مواد جديدة باستمرار.

ونظر الباحثون أيضاً في كيفية تأثير العوامل الأخرى الموجودة في الماء على عملية التنظيف. ووجدوا أنه إذا احتوى الماء على مستويات عالية من الملح، فإن كفاءة المادة الممتزة تنخفض قليلاً. يحدث هذا لأن أيونات الملح تتنافس مع جزيئات الدواء على المساحة المتوفرة على سطح المادة. ومع ذلك، وحتى مع هذه المنافسة، ظلت المادة فعالة، مما يشير إلى قدرتها على التعامل مع تعقيدات مياه الصرف الصحي في العالم الحقيقي.

ومن خلال تحسين ظروف هذه العملية، حدد الفريق وصفة دقيقة لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة. فقد توصلوا إلى أن استخدام 1.4 جرام من المادة الممتزة لكل لتر من الماء، مع زمن تلامس قدره 110 دقائق عند درجة حرارة 25 درجة مئوية، يعطي أفضل النتائج لإزالة الأموكسيسيلين. وتشير هذه النتائج إلى أن مادة مشتقة من منتج ثانوي شائع يمكن تحويلها إلى أداة متطورة لتنقية المياه. ولا تدعي الدراسة أنها حلت مشكلة التلوث بالمضادات الحيوية عالمياً بين عشية وضحاها، لكنها تقدم استراتيجية ملموسة ومنخفضة التكلفة تحول مشكلة إدارة النفايات إلى حل لجودة المياه. ومن خلال إعادة استخدام الحمأة التي تنتجها محطات المياه بالفعل، يتماشى هذا النهج مع مبادئ الاقتصاد الدائري، حيث يتم تقليل النفايات والحفاظ على الموارد قيد الاستخدام لأطول فترة ممكنة. ويظهر العمل أنه مع المعالجة الكيميائية الصحيحة والفهم العلمي، يمكن لما كان يعتبر يوماً ما نفايات أن يصبح أصلاً قيماً في المعركة من أجل الحفاظ على نظافة مياهنا.