Fluorine Free Ph8 POSS Coated on Polyurethane Foam for Enhanced Oil/Water Separation Capability

تُعد التسربات النفطية ومياه الصرف الصناعي تهديدات مستمرة للمجاري المائية في العالم، حيث تحول الأنهار والمحيطات النقية إلى وحل سام يضر بالحياة البرية ويخل بالنظم البيئية. ولعقود من الزمن، بحث العلماء عن مواد يمكنها أن تعمل مثل الإسفنج، بحيث تمتص الزيت وتترك الماء وراءها. ويتضمن أحد النهج الواعدة استخدام رغوة مغلفة بمواد كيميائية خاصة تنفر من الماء ولكنها تجذب الزيت. ومع ذلك، فإن أكثر الطلاءات فعالية التي اكتُشفت حتى الآن تعتمد على مركبات قائمة على الفلور. وبينما تعمل هذه المواد بشكل جيد، إلا أنها مشهورة بكونها سامة وتظل في البيئة لقرون، رافضة التحلل طبيعيًا. وهذا يخلق مقايضة صعبة: حل لمشكلة تلوث واحدة يؤدي إلى مشكلة أخرى. ويبحث الباحثون الآن عن طريقة للحصول على نفس قوة التنظيف دون الضرر البيئي طويل الأمد، سعيًا وراء مواد قوية، وفعالة، وآمنة للكوكب.

في دراسة حديثة، طور فريق من العلماء من نيجيريا نوعًا جديدًا من الطلاء يتجنب الفلور تمامًا. لقد صنعوا مادة تسمى "أوكتاتوفينيل بوس" (octaphenyl POSS) خالية من الفلور، وهي عبارة عن هيكل صغير يشبه القفص مكون من ذرات السيليكون والأكسجين محاط بحلقات من الكربون والهيدروجين. ولصنع هذا، قاموا بخلط مادة كيميائية تسمى "فينيل ثلاثي كلورو سيلان" مع هيدروكسيد البوتاسيوم في محلول ساخن، مما سمح للجزيئات بالارتباط معًا لتكوين هذه الأقفاص المجهرية المستقرة. ثم أخذ الباحثون قطعة قياسية من رغوة البولي يوريثان - وهي المادة الناعمة ذات الخلايا المفتوحة التي توجد غالبًا في الأثاث أو المرشحات - وغمسوها في محلول يحتوي على مادتهم الكيميائية الجديدة. وبعد التجفيف، بقيت الرغوة بطبقة رقيقة من هذه الأقفاص الصغيرة ملتصقة بسطحها. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان هذا الطلاء البسيط، الخالي من الفلور، يمكن أن يحول الرغوة إلى أداة قادرة على فصل الزيت عن الماء.

أكد الفريق أولاً أنهم نجحوا في بناء الهيكل الكيميائي الصحيح. وباستخدام تقنيات تصوير متقدمة تعمل مثل ماسح بصمات الجزيئات، تحققوا من أن ذرات السيليكون مرتبة في شكل القفص المنتظم والدقيق الذي أرادوه. كما اختبروا كيفية سلوك المادة تحت الحرارة؛ فقد أثبت الطلاء استقرارًا كبيرًا، حيث ظل متماسكًا جيدًا حتى وصلت درجات الحرارة إلى 450 درجة مئوية، عندها بدأ في التحلل بشكل ملحوء. وحتى بعد هذا التسخين الشديد، بقيت كمية كبيرة من المادة كبقايا صلبة، مما يشير إلى أنها تشكل شبكة قوية مقاومة للحرارة. ولعل الأهم بالنسبة للاستخدام الواقعي، هو أن الباحثين اختبروا ما إذا كانت المادة الكيميائية الجديدة ضارة بالخلايا الحية؛ فقد عرضوا خلايا عصبية من الفئران للمادة ووجدوا أن الغالبية العظمى من الخلايا، حوالي 94 بالمائة، ظلت صحية ونشطة، مما يشير إلى أن الطلاء غير سام وآمن للتعامل معه.

عندما طبق الباحثون هذا الطلاء على الرغوة، تغير السطح بطريقة غيرت كيفية تفاعل الماء معه. وتحت المجهر، بدا سطح الرغوة خشنًا وملمسًا، مغطى بجزيئات صغيرة غير منتظمة من المادة الكيميائية الجديدة. وهذا الخشونة هي المفتاح لوظيفة المادة. فعندما وضعوا قطرة من الماء على الرغوة المعالجة، لم ينتشر الماء أو يتسرب للداخل، بل تجمعت القطرة، مشكلةً شكلاً يلمس السطح بزاوية تزيد عن 100 درجة. هذا السلوك يصنف الرغوة على أنها "كارهة للماء" (hydrophobic)، مما يعني أنها تنفر من الماء بنشاط. وبما أن المادة تجذب الزيت طبيعيًا، فيمكنها التقاط الزيت انتقائيًا من الخليط مع دفع الماء بعيدًا. وهذا السلوك الانتقائي هو بالضبط ما هو مطلوب لتنظيف التسربات النفطية أو معالجة مياه الصرف الزيتية.

ولاختبار ما إذا كانت الرغوة قادرة حقًا على القيام بالمهمة، غمس الفريق الرغوة في خليط من زيت الديزل والماء. بدأت الرغوة المغطاة بامتصاص الزيت على الفور، حيث احتفظت بما يقرب من خمسة أضعاف وزنها في المحاولة الأولى. قام الباحثون بعد ذلك بعصر الرغوة لإزالة الزيت وكرروا العملية خمس مرات لمعرفة مدى صمودها. أدت الرغوة أداءً جيدًا في البداية، حتى أنها امتصت زيتًا أكثر قليلاً في الجولة الثانية مع امتلاء المسام بالكامل. ومع كل عصر وإعادة استخدام، تناقصت كمية الزيت التي يمكنها احتواؤها تدريجيًا. وبحلول الدورة الخامسة، كانت الرغوة لا تزال قادرة على امتصاص الزيت، لكن قدرتها انخفضت بشكل كبير. وأشار الباحثون إلى أن هذا الانخفاض قد يعود إلى بقاء بعض الزيت محاصرًا داخل الرغوة بعد العصر، أو ربما بسبب تحرك أو تآكل كمية صغيرة من الطلاء أثناء التعامل المتكرر.

على الرغم من الفقدان التدريجي في الكفاءة مع الاستخدامات المتعددة، إلا أن الدراسة تثبت أن مادة كيميائية خالية من الفلور يمكنها بنجاح تحويل الرغوة العادية إلى أداة وظيفية لامتصاص الزيت. إن المادة ليست حلاً دائمًا ومثاليًا لا يتدهور أبدًا، لكنها تقدم بديلاً قابلاً للتطبيق وأكثر أمانًا للطلاءات الفلورية السامة المستخدمة حاليًا. وهي تثبت أنه من الممكن إنشاء سطح كاره للماء باستخدام كيمياء أقل استدامة في البيئة وغير ضارة بالخلايا الحية. وبينما يتراجع أداء الرغوة مع الاستخدام المتكرر، فإن القدرة على فصل الزيت عن الماء دون الاعتماد على مواد خطرة تمثل خطوة مهمة نحو تطوير طرق مستدامة لتنظيف مياهنا.