Synergistic dual-modification of polyurethane sponge with MIL-53(Al) and dimethylsilicone oil for efficient oil–water separation of oily sludge thermal washing wastewater

الزيت والماء عدوان طبيعيان. فعندما يمتزجان، كما يحدث غالباً في أعقاب الحوادث الصناعية أو أثناء معالجة النفط الخام، يشكلان مستحلباً عنيداً وفوضوياً يصعب فصله للغاية. ويمثل هذا مشكلة مستمرة للصناعات التي تتعامل مع الحمأة الزيتية، وهي منتج نفايات خطرة يتكون عند استخراج وتكرير النفط. ولتنظيف هذه الحمأة، غالباً ما تستخدم الشركات الحرارة والماء لغسل الزيت، لكن هذه العملية تولد كميات هائلة من مياه الصرف الصحي المليئة بقطرات زيت متناهية الصغر ومعلقة بملوثات كيميائية. أما الطرق التقليدية لتنظيف هذه المياه، مثل حرقها أو استخدام مواد كيميائية قاسية، فهي إما مهدرة للموارد أو تخلق مخاطر بيئية جديدة. ولطالما كان الحل الواعد هو استخدام مادة تعمل مثل الإسفنج، ولكنها ذكية بما يكفي لتمتص الزيت بينما تسمح للماء بالمرور من خلالها مباشرة. ومع ذلك، فإن الإسفنج العادي ليس انتقائياً؛ فهو يمتص كليهما، أو قد ينسد ويصبح عديم الفائدة بعد استخدام واحد.

لقد طور باحثون في جامعة "جيجيانغ للعلوم والتكنولوجيا" نوعاً جديداً من الإسفنج يحل هذه المشكلات من خلال الجمع بين مادتين متميزتين في أداة واحدة عالية الكفاءة. لقد بدأوا بقطعة قياسية من رغوة البولي يوريثان، وهي النوع من المواد المسامية والناعمة الموجودة في الإسفنج المنزلي، ومنحوها لمسة تجديد ثنائية الطبقات. أولاً، قاموا بطلاء الإسفنج بإطار عضوي معدني، وهو مادة بلورية مكونة من الألومنيوم وجزيئات عضوية تخلق شبكة واسعة من الأنفاق المجهرية الدقيقة. تضيف هذه الطبقة مساحة سطح هائلة وخشونة، مما يوفر عدداً لا يحصى من الزوايا والشقوق التي يمكن أن تُحتجز فيها جزيئات الزيت. ثانياً، عالجوا الهيكل بأكمله بزيت ثنائي ميثيل السيلكون، وهي مادة معروفة بقدرتها على طرد الماء وجذب الزيت. يخلق هذا المزيج سطحاً طارداً للماء لدرجة أن الماء يتكور ويتدحرج بعيداً، بينما يُسحب الزيت للداخل فوراً.

اختبر الفريق هذا الإسفنج المركب الجديد، الذي أطلقوا عليه اسم M/Si-6@@PU، على مياه صرف حقيقية ناتجة عن غسل الحمأة الزيتية. وكانت النتائج مذهلة. فعندما تلمست قطرة من الزيت سطح الإسفنج المعدل، اختفت داخل المادة في غض_ن 2.6 ثانية فقط، وهي سرعة تقارب نصف الوقت الذي استغرقه امتصاص نفس القطرة بواسطة إسفنج غير معدل. أثبت الإسفنج قدرته على حمل كمية هائلة من الزيت مقارنة بوزنه. فقد استطاع امتصاص ما يصل إلى 43 جراماً من التولوين مقابل كل جرام من الإسفنج، وأدى أداءً مماثلاً بشكل جيد مع زيوت أخرى شائعة مثل زيت المضخات والديزل والزيت النباتي. وحتى عند مواجهة الواقع المعقد والمتسخ لمياه الصرف الصناعية الفعلية، تمكن الإسفنج من احتجاز 31 جراماً من الزيت لكل جرام من المادة.

وبعيداً عن قدرته على التقاط الزيت بسرعة، أظهر الإسفنج متانة ملحوظة. ففي الاختبارات التي استُخدمت فيها المادة لترشيح مياه الصرف بشكل متكرر، حافظت على كفاءة فصل تزيد عن 99 بالمائة خلال الدورات الثماني الأولى. وحتى بعد ثلاثين دورة من الاستخدام، ظل الإسفنج يزيل أكثر من 93 بالمائة من الزيت، مما يظهر أنه لا يتآكل بسهولة أو يفقد فعاليته. كما اختبر الباحثون قدرته على الصمود في الظروف القاسية، حيث غمروا الإسفنج في سوائل شديدة الحموضة وشديدة القلوية لمدة ساعة. وبينما بدأ الإسفنج يظهر علامات البلل بعد ذلك الوقت، إلا أنه حافظ على خصائصه الطاردة للماء لفترة كافية لتكون مفيدة في البيئات الصناعية القاسية حيث قد تفشل المواد الأخرى فوراً.

تعتمد آلية هذا النجاح على الهيكل الفريد الذي أنشأه الطلاءان. يوفر الإطار العضوي المعدني نسيجاً هرمياً خشناً يحجز جيوباً صغيرة من الهواء، مما يخلق حاجزاً لا يمكن للماء عبوره بسهل. وفي الوقت نفسه، تعمل طبقة زيت السيليكون على خفض طاقة السطح للإسفنج، مما يجعله منجذباً طبيعياً للزيت ومنفراً للماء. وعندما تلمس مياه الصرف الصحي الإسفنج، تقوم الهياكل المجهرية الحادة بتفكيك المستحلب المستقر مادياً، مما يسمح بسحب الزيت عميقاً داخل مسام الإسفنج بفعل قوى الشعيرات الدموية. وفي الوقت ذات نفسه، تضمن الطبيعة الكيميائية للطلاء التصاق الزيت بقوة بالإسفنج بينما يتدفق الماء من خلاله. هذا العمل المزدوج يسمح للمادة ليس فقط بفصل الزيت الطافي بحرية، بل أيضاً بالتقاط الملوثات العضوية الذائبة والقطرات المستحلبة التي عادة ما تنفذ من المرشحات الأخرى.

تؤكد الدراسة أن هذا النهج يمثل مساراً قابلاً للتطبيق لمعالجة النفايات الصناعية الصعبة. فمن خلال استخدام عملية غمس بسيطة لتطبيق هاتين المادتين، ابتكر الباحثون حلاً قابلاً للتوسع لا يتطلب آلات معقدة أو مواد كيميائية باهظة الثمن. إن قدرة الإسفنج على التعامل مع مياه الصرف الحقيقية، ومقاومة التآكل الكيميائي، والحفاظ على أداء عالٍ عبر العديد من الاستخدامات، تشير إلى أنه يمكن أن يكون أداة عملية لتنظيف التسربات النفطية ومعالجة التصريف الصناعي. ويسلط هذا العمل الضوء على كيفية دمج هيكل مسامي صلب مع طلاء مرن طارد للماء لإنشاء مادة هي أكثر فعالية بكثير من مجرد مجموع أجزائها، مما يقدم طريقة جديدة لمواجهة أحد التحديات الأكثر استمراراً في عمليات التنظيف البيئي.