Sustainable and Low-Cost Approach for Effective Remediation of Nickel(II) Ions Using NaOH-Modified Tea Waste and Its Biochar

تُعد المياه شريان الحياة لكوكبنا، ولكن عندما تحمل معادن ثقيلة مثل النيكل، فإنها تصبح تهديداً صامتاً. فالنيكل، وهو معدن يُستخدم في كل شيء بدءاً من البطاريات وصولاً إلى الفولاذ المقاوم للصدأ، يمكن أن يتسرب إلى الأنهار والبحيرات من خلال النفايات الصناعية. وبخلاف الملوثات العضوية التي تتحلل بمرور الوقت، فإن المعادن الثقيلة لا تختفي؛ بل تتراكم في التربة وفي أجسام الحيوانات والبشر، مما يسبب في النهاية مشاكل صحية خطيرة تتراوح بين تلف الأعضاء والسرطان. إن إزالة هذه المعادن من الماء عملية صعبة وغالباً ما تكون مكلفة، إذ يمكن للطرق التقليدية أن تستهلك طاقة كبيرة أو تتطلب مواد كيميائية باهظة الثمن، مما يترك العديد من المجتمعات دون حل فعال. ولطالما نظر العلماء نحو الطبيعة طلباً للمساعدة، مستكشفين ما إذا كانت المنتجات العادمة الشائعة يمكن أن تعمل كإسفنج لامتصاص هذه الأيونات السامة. هذا النهج، المعروف باسم "الامتزاز الحيوي"، يقدم وسيلة لتحويل مشكلة التخلص من النفايات إلى حل للتنظيف، باستخدام مواد رخيصة، وفيرة، وقابلة للتحلل الحيوي.

في دراسة حديثة، بحث باحثون من جامعة بيرادينيا في سريلانكا في نوع محدد من النفايات: أوراق الشاي التي تم نقعها واستخدامها بالفعل وتم التخلص منها. يُعد الشاي محصولاً رئيسياً في المنطقة، وتنتج المصانع التي تعالجه كميات هائلة من الأوراق المتبقية. طرح الفريق سؤالاً بسيطاً: هل يمكن تحويل هذه النفايات، التي تُرمى عادةً، إلى أداة فعالة لتنظيف النيكل من الماء؟ لم يكتفوا باستخدام الأوراق الخام فحسب، بل اختبروا طريقتين مختلفتين لتحضيرها. أولاً، أخذوا النفايات الخام وعاملوها بمحلول مخفف من هيدروكسيد الصوديوم، وهو مادة كيميائية شائعة تُستخدم لتنظيف وفتح الهياكل النباتية. ثانياً، حولوا نفايات الشاي إلى "بيوتشار" (فحم حيوي) عن طريق تسخينه في بيئة خاضعة للتحكم بدون أكسجين، وهي عملية تنتج مادة تشبه الفحم ذات بنية مسامية، ثم عالجوا ذلك الفحم بنفس المحلول الكيميائي. كان الهدف هو معرفة أي نسخة، الأوراق الخام المعالجة أم الفحم المعالج، يمكنها التقاط أيونات النيكل من الماء الملوث بشكل أكثر فعالية.

بدأ الباحثون بالنظر بدقة في التغيرات الفيزيائية والكيميائية التي حدثت أثناء التحضير. وباستخدام مجاهر قوية وماسحات كيميائية، لاحظوا أن نفايات الشاي غير المعالجة كانت ذات سطح أملس ومتماسك نسبياً، مما حد من قدرتها على التقاط أيونات المعادن. ومع ذلك، بعد المعالجة بهيدروكسيد الصوديوم، أصبح السطح خشناً، ومتشققاً، ومليئاً بالثقوب الصغيرة. كان هذا التحول حاسماً لأن هذا الإجراء كشف عن مجموعات كيميائية مخفية في الألياف النباتية، مثل مجموعات الهيدروكسيل والكاربوكسيل، والتي تعمل مثل مغناطيسات صغيرة لأيونات المعادن. وأظهر الفحم المعالج تحسينات مماثلة، مع بنية عالية المسامية توفر مساحة أكبر لارتباط المعدن. كما قاس الفريق الشحنة الكهربائية على سطح هذه المواد، ووجدوا أن المعالجة نقلت الشحنة بحيث أصبح السطح سالباً عند مستويات الأس الهيدروجيني (pH) الطبيعية للماء. وبما أن أيونات النيكل في الماء تحمل شحنة موجبة، فقد عمل هذا السطح السالب كجاذب قوي، يسحب أيونات المعدن نحوها ويشدد قبضته عليها.

ولإيجاد أفضل طريقة لاستخدام هذه المواد الجديدة، أجرى العلماء سلسلة من التجارب لتحديد الظروف المثالية. فقد اختبروا كمية المادة المطلوبة، ومدة رج الخليط، ومدة تركه ليستقر. واكتشفوا أن كمية صغيرة من أوراق الشاي الخام المعالجة، وتحديداً 0.60 جراماً، كانت كافية لتنظيف حجم معين من الماء، بينما تطلب الفحم المعالج كمية أقل، وهي 0.30 جراماً. كانت العملية سريعة بشكل ملحو-ظ، حيث وصلت المواد إلى أقصى قدرتها التنظيفية في غضون 20 دقيقة فقط من الرج، تلتها فترة ترسيب قصيرة مدتها 10 دقائق. وتحت هذه الظروف المثالية، أزال الفحم المعالج 98 بالمائة من النيكل من الماء، بينما أزالت أوراق الشاي الخام المعالجة 95 بالمائة. وفي المقابل، كانت المواد الخام غير المعالجة أقل فعالية بكثير، حيث أزالت حوالي 76 بالمائة و65 بالمائة على التوالي. وقد أكد ذلك أن المعالجة الكيميائية كانت المفتاح لإطلاق إمكانات هذه النفايات.

كما فحصت الدراسة كيفية سلوك هذه المواد بمرور الوقت وتحت ظروف مختلفة. وجد الباحثون أن عملية التنظيف تحدث على مراحل؛ أولاً، انتقلت أيونات النيكل بسرعة من الماء إلى سطح المادة، ثم انتقلت ببطء إلى داخل المسام الصغيرة داخل المادة. هذا التحرك متعدد المراحل يعني أن المواد لم تكن مجرد جالسة على السطح، بل كانت تمتص المعدن بنشاط في أعماق هيكلها. وعندما اختبر الفريق هذه المواد مقابل معادن أخرى قد تكون موجودة في الماء، مثل النحاس أو الرصاص، وجدوا أن الفحم المعالج كان أكثر استقراراً ومقاومة للتداخل من أوراق الشاي الخام. يشير هذا إلى أن نسخة الفحم هي الأكثر متانة للتطبيقات الواقعية حيث يحتوي الماء على مزيج من الملوثات المختلفة. علاوة على ذلك، اختبر الباحثون ما إذا كان يمكن استخدام هذه المواد أكثر من مرة؛ ووجدوا أنه من خلال غسل المواد المحملة بالمعدن باستخدام أحماض مخففة أو عامل مخلبي، يمكنهم تحرير النيكل وإعادة استخدام المادة الممتزة. احتفظت المواد بقدرتها على تنظيف الماء بكفاءة تزيد عن 90 بالمائة حتى بعد إعادة التنشيط، مما يثبت أنها يمكن أن تكون جزءاً من دورة مستدامة بدلاً من كونها منتجاً للاستخدام لمرة واحدة.

تقدم النتائج مساراً واعداً لمعالجة المياه، لا سيما في المناطق التي يُزرع فيها الشاي وحيث يوجد تلوث صناعي. ومن خلال تحويل نفايات زراعية شائعة إلى عامل تنظيف عالي الأداء، تثبت الدراسة أن الحلول البيئية الفعالة لا تتطلب دائماً تكنولوجيا باهظة الثمن أو موارد نادرة. فالعملية منخفضة التكلفة، وتستخدم مواد متاحة بالفعل، وتعتمد على تعديلات كيميائية بسيطة لتعزيز الخصائص الطبيعية. وبينما ركزت الدراسة تحديداً على النيكل، فإن مبادئ استخدام النفايات النباتية المعدلة لتنظيف المياه يمكن أن تنطبق على معادن ثقيلة أخرى أيضاً. وتؤكد الأبحاث أنه مع التحضير الصحيح، فإن ما كان يُعتبر في السابق مجرد قمامة يمكن أن يصبح أداة قوية لحماية إمداداتنا المائية، محولةً مشكلة نفايات محلية إلى فائدة بيئية عالمية.