Synergistic adsorption of heavy metals by magnetic composite biochar: Performance and mechanisms in co‑contamination systems

غالبًا ما تحمل المياه في أنهارنا وبحيراتنا عبئًا مزدوجًا. فمن ناحية، توجد معادن ثقيلة مثل الرصاص، وهي مواد سامة ولا تتحلل، وتظل عالقة في البيئة لعقود. ومن ناحية أخرى، توجد المضادات الحيوية، وهي أدوية مصممة لقتل البكتيريا ولكنها غالبًا ما تنتهي في إمدادات المياه، مما قد يؤدي إلى خلق جراثيم خارقة مقاومة. وعندما يمتزج هذان النوعان من التلوث، فإنهما يشكلان تحديًا معقدًا للمهندسين الذين يحاولون تنقية المياه. فغالبًا ما تعاني الطرق التقليدية لأنها مصممة لإزالة نوع واحد من الملوثات في كل مرة، مما يترك النوع الآخر خلفه أو يفشل في التعامل مع الطريقة التي تتفاعل بها هذه المواد مع بعضها البعض.

ولحل هذه المشكلة، لجأ الباحثون إلى مادة تسمى "البيوتشار" (الفحم الحيوي). تخيل البيوتشار كإسفنجة مصنوعة من مواد نباتية تم تسخينها بطريقة تزيل الأكسجين، تاركة وراءها بنية غنية بالكربون ومليئة بالثقوب الصغيرة. هذه الإسفنجة ممتازة في حبس الملوثات. ومع ذلك، فإن البيوتشار القياسي له حدود: فقد يصعب استخراجه من الماء بمجرد أن يؤدي مهمته، وأحيانًا يفتقر إلى القوة للإمساك بملوثات محددة عندما تكون هناك ملوثات مختلفة عديدة في وقت واحد. ولتحسين ذلك، بدأ العلماء في خلط البيوتشار بالمعادن والجسيمات المغناطيسية، آملين في إنشاء مادة تكون فعالة للغاية في التنظيف وسهلة الاسترجاع في آن واحد.

قام فريق من الباحثين في الصين مؤخرًا باختبار نسخة جديدة من هذه الفكرة. لقد صنعوا بيوتشار مركبًا مغناطيسيًا، وهي مادة مصممة لمعالجة المياه الملوثة بالرصاص والتتراسايكلين (وهو مضاد حيوي شائع). لم يكن هدفهم مجرد معرفة ما إذا كانت المادة ستزيل هذه الملوثات فحًا، بل فهم كيفية عملها بالضبط عندما يكون كلاهما موجودًا معًا. أرادوا معرفة ما إذا كان الملوثان سيتنافسان على المساحة في المادة، أم أنهما سيساعدان بعضهما البعض في عملية الحبس.

بدأ العلماء بصنع مادتهم. لقد أخذوا بيوتشار مركبًا موجودًا مسبقًا، وهو مزيج بالفعل من الرواسب والطحالب والطين، وطحنوه مع جسيمات أكسيد الحديد النانوية. تمت هذه العملية بدون مذيبات، ببساطة عن طريق طحن المكونات الجافة معًا ثم تسخينها. وكانت النتيجة مسحوقًا داكنًا ومساميًا حيث تنتشر الجسيمات المغناطيسية الصغيرة بالتساوي داخل البنية الكربونية. وقد أكد الفريق أن المادة تمتلك شبكة متطورة من المسام، بمتوسط حجم ثقب يبلغ 23.68 نانومتر، وأن الجسيمات المغناطيسية ملتصقة بإحكام ولا تتكتل معًا. والأهم من ذلك، أن المادة كانت مغناطيسية بما يكفي بحيث يمكن لمغناطيس بسيط سحب دفعة المسحوق بأكملها من الماء في ثلاث دقائق فقط، مما حل مشكلة استعادة المرشح.

وعندما اختبروا المادة في خليط من الرصاص والتتراسايكلين، كانت النتائج مذهلة. أظهر المركب تفضيلًا قويًا للرصاص. فحتى في وجود التتراسايكلين في الماء، أزالت المادة في البداية 99.8 بالمائة من الرصاص. وكان هذا مفاجئًا لأن العديد من المواقف المماثلة، تتنافس فيها الملوثات المختلفة على نفس المواقع في المرشح، مما يقلل من الكفاءة الإجمالية. هنا، لم يمنع وجود المضاد الحيوي المادة من الإمساك بالمعدن. في الواقع، عند تركيزات معينة، بدا أن الملوثين يعملان معًا. وجد الباحثون أن الرصاص والمضاد الحيوي يمكن أن يشكلا معقدًا، وهو عبارة عن رابط كيميائي مؤقت بينهما، والذي يتصل بعد ذلك بقوة أكبر بسطح البيوتشار. ساعد هذا التفاعل في تثبيت الرصاص، مما يجعله أقل عرضة للتسرب مرة أخرى إلى الماء لاحقًا.

نظر الفريق أيضًا عن كثب في كيفية تمسك المادة بالرصاص. واكتشفوا أن عدة آليات مختلفة تعمل في وقت واحد. فسطح البيوتشار مغطى بمجموعات كيميائية يمكنها تبادل الأماكن مع أيونات الرصاص، مما يؤدي فعليًا إلى حبسها. كما شكل الرصاص روابط مباشرة مع ذرات الأكسجين على السطح. وفي بعض الحالات، ترسب الرصاص من الماء كجسم صلب على سطح المادة. ولعبت جزيئات الحديد المغناطيسية دورًا أيضًا، حيث وفرت مواقع محددة يمكن للرصاص أن يتصل بها. استخدم الباحثون النمذجة الحاسوبية لتصور هذه التفاعلات، مؤكدين أن ذرات الرصاص تنسق بإحكام مع الأكسجين والحديد على السطح.

كان هناك اكتشاف مهم آخر يتعلق باستقرار الرصاص المحبوس. أجرى الباحثون سلسلة من الاختبارات لمعرفة مدى سهولة غسل الرصاص من المادة. ووجدوا أن معظم الرصاص كان محبوسًا في شكل مستقر لا يذوب بسهولة مرة أخرى في الماء، حتى لو تغيرت ظروف المياه. وكان هذا صحيحًا بشكل خاص عند وجود المضاد الحيوي، حيث بدا أن معقدات الرصاص-المضاد الحيوي تمسك بالمعدن بشكل أكثر أمانًا. كما أثبتت المادة متانتها، رغم أن كفاءتها انخفضت مع الاستخدام المتكرر. فبعد استخدامها خمس مرات متتالية في النظام الثنائي، انخفضت كفاءة إزالة الرصاص من 99.8% أولية إلى 78.8%، بينما ظل مقدار الحديد الذي تسرب من المادة أثناء العملية منخفضًا جدًا.

تسلط هذه الدراسة الضوء على أن حموضة الماء، أو الأس الهيدروجيني (pH)، تلعب دورًا حاسمًا في مدى نجاح عملية التنظيف هذه. فعندما كانت المياه شديدة الحموضة، واجهت المادة صعوبة في الإمساك بالرصاص لأن السطح أصبح مشحونًا إيجابيًا وطرد أيونات الرصاص. ومع انخفاض حموضة الماء، أصبح السطح سالبًا، مما جذب الرصاص بقوة أكبر. ومع ذلك، إذا أصبح الماء قاعديًا للغاية، يبدأ الرصاص في تكوين جسيمات صلبة خاصة به في الماء، مما يغير طريقة تفاعله مع المرشح. وقد ساعد وجود المضاد الحيوي في تخفيف حدة هذه التغييرات، مما سمح للمادة بالأداء الجيد عبر نطاق أوسع من الظروف.

يشير هذا العمل إلى أنه من خلال تصميم مواد مركبة بعناية تجمع بين الخصائص المغناطيسية والميزات الكيميائية المحددة، من الممكن إنشاء مرشحات تكون قوية وعملية لمشكلات التلوث المعقدة. فالمادة لا تقوم فقط بإزالة ملوث واحد مع تجاهل ملوث آخر؛ بل تدير التفاعل بينهما، محولةً صراعًا محتملاً إلى عملية تنظيف تعاونية. وبينما ركزت الدراسة على الرصاص والتتراسايكلين، فإن هذا النهج يقدم مخططًا للتعامل مع مخاليط أخرى من المعادن الثقيلة والملوثات العضوية في المستقبل. إن القدرة على فصل المرشح بسهولة عن الماء باستخدام المغناطيس، جنبًا إلى جنب مع كفاءتها العالية واستقرارها، تشير إلى طريقة قابلة للتطبيق لمعالجة المياه الملوثة في سيناريوهات العالم الحقيقي.