Eco-Conscious Synthesis of a Starch-Magnetic Hydrogel for Effective Methylene Blue Decontamination in Wastewater Treatment

تُعد المياه شريان الحياة لكوكبنا، ومع ذلك، فإنها تختنق بشكل متزايد بالنفايات الملونة الناتجة عن الصناعة الحديثة. فالمصانع التي تنتج المنسوجات والورق والأدوية تطلق كميات هائلة من الأصباغ الاصطناعية في الأنهار والبحيرات. ومن بين هذه الأصباغ، يبرز صبغة زرقاء زاهية تُسمى "ميثيلين بلو" (أزرق الميثيلين) كعنصر مثير للقلق بشكل خاص؛ فهي لا تتحلل بسهولة في الطبيعة، ويمكنها حتى بكميات ضئيلة أن تضر بالكائنات الحية وتخل بالنظم البيئية. لعقود من الزمن، بحث العلماء عن طرق لتنقية المياه من هذه الأصباغ دون التسبب في مشاكل جديدة أو إنفاق ثروة طائلة. وغالباً ما تتضمن الحلول الأكثر واعدة استخدام مواد تعمل مثل الإسفنج، حيث تمتص التلوث من الماء. ومع ذلك، فإن الإسفنج التقليدي يصعب إزالته بمجرد امتلائه، مما يتطلب غالباً أنظمة ترشيح معقدة يمكن أن تكون بطيئة ومكلفة.

قام فريق من الباحثين من بيرو وإسبانيا وألمانيا بتطوير نهج جديد يجمع بين أفضل ما في الطبيعة مع لمسة من الهندسة المغناطيسية. فقد ابتكروا مادة هلامية ناعمة تُعرف باسم "الهيدروجيل"، مصنوعة من نشاء نوع معين من البطاطس البيروفية. وإلى هذا الأساس الطبيعي، أضافوا بوليمراً اصطناعياً يجذب الصبغة الزرقاء، والأهم من ذلك، قاموا بدمج جزيئات مغناطيسية دقيقة داخل الخليط. هذا الإضافة البسيطة تغير كل شيء: فبمجرد أن تمتص المادة الصبغة، يمكن لمغناطيس بسيط أن يسحب الهيدروجيل بأكما له من الماء في ثوانٍ معدودة، تاركاً السائل نظيفاً وراءه. كان الهدف هو ابتكار مادة ليست فعالة في التنظيف فحسب، بل أيضاً قابلة لإعادة الاستخدام وآمنة على البيئة.

بدأ العلماء عملهم في مختبر في ليما، بيرو، باستخدام قشور بطاطس "أماريا رينا" (Amarilla Reyna)، وهي نوع موطنه الأصلي جبال الأنديز العالية. استخلصوا النشاء من هذه القشور وخلطوه مع حمض الأكريليك، وهو كيميائي شائع يُستخدم لصنع البوليمرات فائقة الامتصاص، وعامل ربط عرضي للحفاظ على الهيكل. ومن خلال عملية تتضمن الحرارة وجو غازي واقٍ، حفزوا تفاعلاً كيميائياً ربط نشاء البطاطس مع السلاسل الاصطناعية، مكوناً شبكة ثلاثية الأبعاد قوية. ولإعطاء هذا الهيدروجيل الجديد قدرته الخاصة على أن يُسحب من الماء، أدخلوا أملاح الحديد والأمونيا في الخليط. تسبب هذا في تشكل بلورات صغيرة من "المغنتيت"، وهو نفس المعدن الموجود في المغناطيسات الطبيعية، مباشرة داخل مسام الهيدروجيل. وكانت النتيجة مادة ناعمة بنية اللون تشبه الإسفنج المبلل، ولكنها تمتلك لباً مغناطيسياً خفياً.

عندما اختبر الباحثون هذا الهيدروجيل المغناطيسي الجديد، وجدوا أنه فعال بشكل ملحوظ. ففي تجارب محكومة باستخدام مياه مشبعة بالميثيلين بلو، أزالت المادة 96 بالمائة من الصبغة. والأكثر إثارة للإعجاب هو أن جراماً واحداً من الهيدروجيل الجاف يمكنه احتواء ما يصل إلى 1,148.3 مليجرام من الصبغة الزرقاء. ولوضع هذه القدرة في سياق المقارنة، يمكن للهيدروجيل امتصاص أكثر من ألف ضعف وزنه الجاف من المياه المحملة بالصبغة. عملت المادة بشكل أفضل عندما كانت المياه قلوية قليلاً، وهي حالة جعلت سطح الهيدروجيل يحمل شحنة سالبة. وبما أن جزيئات الصبغة الزرقاء تحمل شحنة موجبة، فقد انجذبت بقوة إلى الهيدروجيل، تماماً كما تنجذب الأقطاب المتضادة في المغناطيس. كما يمكن للهيدروجيل أن ينتفخ ليحتوي كمية هائلة من الماء، حيث يتمدد لأكثر من 350 ضعف وزنه الجاف، مما يسمح لجزيئات الصبغة بالانتقال بسهولة إلى عمق هيكله.

كما درس الفريق كيفية سلوك المادة بمرور الوقت وتحت ظروف مختلفة. واكتشفوا أن الهيدروجيل يصل إلى أقصى قدرة امتصاص له في غض_ن ثلاث ساعات، وهي عملية سريعة نسبياً بالنسبة لحجم كبير كهذا من الماء. اتبع الامتصاص نمطاً يمكن التنبؤ به حيث تتحرك جزيئات الصبغة من سطح الهيدروجيل إلى مسامه الداخلية حتى تمتلئ جميع المواقع المتاحة. ومن المهم أن العملية كانت تلقائية وأطلقت كمية صغيرة من الحرارة، مما يشير إلى أن جزيئات الصبغة ترتبط بقوة بسطح الهيدروجيل من خلال قوى إلكتروستاتيكية طبيعية بدلاً من تفاعل كيميائي معقد. كما استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية متقدمة للنظر إلى جزيئات الصبغة على المستوى الجزيئي. وأظهرت هذه المحاكاة أن الشحنة الموجبة للصبغة الزرقاء كانت موزعة بالتساوي عبر هيكلها بالكامل، مما فسر سبب تفاعلها الجيد مع سطح الهيدروجيل.

ولعل الميزة الأكثر عملية لهذه المادة الجديدة هي قدرتها على إعادة الاستخدام. فبعد أن امتص الهيدروجيل الصبغة، استخدم الباحثون مغناطيساً لسحبه من الماء. ثم غسلوا الهيدروجيل بمحلول حمضي مخفف لتحرير الصبغة، وشطفوه، ثم أعادوا وضعه في دفعة جديدة من المياه الملوثة. وقد كرروا هذه الدورة خمس مرات. وحتى بعد هذه الاستخدامات المتكررة، لا يزال الهيدروجيل يزيل أكثر من 90 بالمائة من الصبغة، مما يثبت أن المادة متينة ولم تتفكك أو تفقد خصائصها المغناطيسية. وتعد قابلية إعادة الاستخدام هذه عاملاً رئيسياً لجعل هذه التكنولوجيا مجدية اقتصادياً للتطبيقات الواقعية، إذ يعني ذلك أن المادة لا تحتاج إلى استبدال مستمر.

ومع ذلك، فإن الاختبار الحقيقي لأي مادة معالجة للمياه هو كيفية أدائها في الواقع المعقد والمضطرب لمياه الصرف الصحي، وليس فقط في مياه المختبر النظيفة. فعندما اختبر الباحثون الهيدروجيل في مياه مأخوذة من نهر ومن محطة لمعالجة مياه الصرف الصحي، كانت النتائج متباينة ولكنها كاشفة. ففي هذه العينات الواقعية، انخفضت كفاءة الإزالة بشكل كبير لتتراوح بين 30 و38 بالمائة. والسبب في هذا الانخفاض هو وجود مواد أخرى في الماء. تحتوي مياه الصرف الصحي الحقيقية على العديد من الأملاح الذائبة والمواد العضوية. فأيونات الملح، التي هي أصغر بكثير وأكثر تركيزاً من جزيئات الصبغة، تجمعت حول سطح الهيدروجيل ومنعت الصبغة من الوصول إلى المواقع النشطة. بالإضافة إلى ذلك، عملت المواد العضوية في الماء كحاجز فيزيائي، مما أدى إلى سد المسام الدقيقة للهيدروجيل. ورغم هذا الانخفاض في الأداء، ظلت المادة فعالة بما يكفي لاعتبارها خياراً قابلاً للتطبيق، خاصة إذا تمت معالجة المياه مسبقاً لإزالة بعض هذه الأملاح المتداخلة.

كما تحقق الباحثون مما إذا كانت عملية المعالجة تخلق أي مخاطر جديدة. فقد اختبروا المياه بعد إزالة الصبغة لمعرفة ما إذا كانت سامة للكائنات الحية. وباستخدام اختبار قياسي يتضمن بكتيريا مضيئة حيوياً، وجدوا أن المياه المعالجة كانت آمنة. لم يطلق الهيدروجيل المغناطيسي أي مواد كيميائية ضارة، ولم تظهر المياه المتبقية أي سمية تذكر. وهذا أكد أن المادة نفسها صديقة للبيئة وآمنة للاستخدام في النظم البيئية الحساسة.

تخلص الدراسة إلى أن هذا الهيدروجيل المغناطيسي القائم على نشاء البطاطس هو أداة واعدة لتنظيف تلوث الأصباغ. فهو يجمع بين استدامة الموارد الطبيعية وكفاءة الكيمياء الحديثة. وبينما يمثل وجود الأملاح في مياه الصرف الصحي الحقيقية تحدياً يقلل من كفاءته، فإن قدرة المادة العالية وسرعة عملها وقابليتها لإعادة الاستخدام عدة مرات تجعلها مرشحاً قوياً لأنظمة معالجة المياه المستقبلية. ومن خلال تحويل منتج ثانوي زراعي شائع إلى عامل تنظيف عالي التقنية، أثبت الباحثون مساراً نحو اقتصاد أكثر دائرية، حيث يصبح الهدر في عملية ما حلاً لعملية أخرى. ويشير العمل إلى أنه مع المزيد من التطوير للتعامل مع ظروف المياه المعقدة، يمكن لهذا الإسفنج المغناطيسي البسيط أن يلعب دوراً هاماً في حماية مواردنا المائية من البقعة المستمرة للتلوث الصناعي.