Phenol Adsorption from Water Using Raw and Quaternized Waste Sorbents: Isotherm, Kinetic, and Thermodynamic Analysis

يشكل تلوث المياه الناتج عن المواد الكيميائية الصناعية والجريان السطحي الزراعي تهديداً مستمراً للأنظمة البيئية وصحة الإنسان. ومن بين أخطر هذه الملوثات، توجد المركبات الفينولية، التي يمكن أن تسبب سمية شديدة، وتلفاً للأعضاء الداخلية، وتزيد من مخاطر الإصابة بالسرطان حتى عند التركيزات المنخفضة. إن الطرق التقليدية لتنقية المياه، مثل حرق النفايات أو استخدام مرشحات غشائية معقدة، غالباً ما تتطلب معدات باهظة الثمن واستهلاكاً عالياً للطاقة، مما يجعل تنفيذها صعباً في المناطق النامية حيث الموارد شحيحة. وفي هذه المناطق، وجه العلماء اهتمامهم نحو نوع مختلف من الحلول: استخدام النفايات الطبيعية للزراعة نفسها. فمن خلال تحويل قشور الفاكهة والنباتات المهملة إلى مواد يمكنها احتجاز وإزالة السموم، يأمل الباحثون في ابتكار وسيلة منخفضة التكلفة ومستدامة لتنقية المياه دون توليد تلوث جديد.

قام فريق من الباحثين في مقاطعة رويرو الفرعية بكينيا بالتحقيق فيما إذا كان يمكن تطوير نوعين من النفايات الزراعية الشائعة لتصبح منظفات فعالة للمياه. وقد ركزوا على قشور "الشمام المقرن"، وهو فاكهة شائكة معروفة محلياً، وقرون نبات "حب الهال" (grains-of-paradise)، وهو توابل تستخدم على نطاق واسد في المنطقة. جُمعت هذه المواد من الأسواق المحلية وعولجت لتصبح مساحيق ناعمة. واختبر العلماء هذه المساحيق الخام مقابل نسخة معدلة من المواد نفسها. ولإنشاء النسخة المعدلة، عولجت المساحيق بمواد كيميائية محددة لإلحاق شحنات كهربائية موجبة بأسطحها. صُممت هذه العملية، المعروفة باسم "التربيع" (quaternization)، لجعل المواد أكثر مسامية وأفضل قدرة على جذب وحجز جزيئات الفينول، التي غالباً ما تحمل شحنة سالبة في الماء.

أجرى الباحثون سلسلة من التجارب المنضبطة لمعرفة مدى فعالية هذه المواد تحت ظروف مختلفة. فقد خلطوا المساحيق مع ماء يحتوي على الفينول وعدلوا عوامل مثل حموضة الماء، وكمية المسحوق المستخدمة، والوقت الذي تُترك فيه الخلطة لتركد. ووجدوا أن المساحيق المعدلة ذات الشحنة الموجبة أدت أداءً أفضل بكثير من المساحيق الخام غير المعدلة. وحدثت أفضل النتائج عندما كان الماء حمضياً قليلاً، وتحديداً عند مستوى أس هيدروجيني (pH) يبلغ 4، وعند رج الخليط لمدة تتراوح بين ثلاثين إلى ستين دقيقة. وتحت هذه الظروف المثلى، أزال مسحوق حب الهال المعدل ما يقرب من 96% من الفينول من الماء. وفي المقابل، أزالت النسخ الخام من نفس المواد كميات أقل بكثير، مما أثبت أن التعديل الكيميائي كان ضرورياً لتحقيق الأداء العالي.

ولفهم كيفية حدوث عملية التنظيف بدقة، حلل الفريق البيانات باستخدام نماذج قياسية تصف كيفية التصاق المواد بالأسطح. وأشارت النتائج إلى أن جزيئات الفينول شكلت طبقة واحدة على أسطح المساحيق، وارتبطت بقوة من خلال تفاعلات كيميائية بدلاً من مجرد الاستقرار بشكل فضفاض فوقها. كما أشارت سرعة التنظيف إلى أن العملية كانت محكومة بتكوين هذه الروابط الكيميائية بين المسحوق والملوث. علاوة على ذلك، أظهرت الدراسة أن العملية تعمل بشكل أفضل عند درجات الحرارة المنخفضة وأطلقت كمية صغيرة من الحرارة، مما أكد أن التفاعل كان تلقائياً ومفضلاً من الناحية الطاقية. كما يمكن تنظيف المساحيق المعدلة وإعادة استخدامها؛ فبعد غسلها بمحلول حمضي مخفف، احتفظت بأكثر من نصف قدرتها الأصلية على التنظيف حتى بعد خمس دورات من الاستخدام.

وعندما اختبر الفريق هذه المواد على عينات مياه فعلية مأخوذة من نهر رويرو، كانت النتائج أقل إبهاراً ولكنها لا تزال واعدة. فقد احتوت مياه النهر على مواد أخرى ذائبة تنافست مع الفينول على المساحة المتاحة على سطح المسحوق، مما قلل من معدل الإزالة الإجمالي إلى ما بين 20 و29%. ورغم هذا الانخفاض في الكفاءة مقارنة بالمياه النقية المختبرية، إلا أن المواد نجحت في خفض مستويات الفينول. ويشير هذا إلى أنه بينما يمثل وجود مواد كيميائية أخرى في البيئات الواقعية تحدياً، فإن هذه النفايات الزراعية المعدلة تظل خياراً قابلاً للتطبيق لمعالجة المياه الملوثة. وتخلص الدراسة إلى أن تحويل النفايات المحلية إلى عوامل تنظيف وظيفية يقدم نهجاً عملياً ودائرياً لمعالجة المياه، محولاً مشكلة التخلص اليومي إلى مورد لحماية الصحة العامة والبيئة.