Chitosan/MXene/Polymer Hybrid as a new Filter with Enhanced Hydrophobicity and degradation Properties

ملخص تقني: هجين الشيتوزان/المكسين/البوليمر كمرشح جديد بخصائص محسنة من حيث كره الماء والتحلل

بيان المشكلة
الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو معالجة الحاجة إلى أنظمة ترشيح عالية الأداء ومنخفضة التكلفة قادرة على تقليل الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD) في مياه الصرف الصحي. وبينما تعد كره السطح للماء (hydrophobicity) أمراً بالغ الأهمية لتطبيقات مثل فصل الزيت عن الماء والتنظيف الذاتي، فإن الركائز الكارهة للماء المتوفرة تجارياً غالباً ما تكون باهظة الثمن. وفي المقابل، فإن الركائز الشائعة مثل ورق ترشيح السليلوز هي بطبيعتها محبة للماء بسبب مجموعات الهيدروكسيل الوفيرة، مما يحد من فائدتها في عمليات الترشيح الكارهة للماء. تهدف الدراسة إلى تحويل ورق ترشيح السليلوز منخفض التكلفة والمحب للماء إلى مرشح مركب قوي وكاره للماء قادر على كل من الترشيح الفيزيائي والتحلل التأكسدي للملوثات العضوية.

المنهجية
استخدم البحث استراتيجية تصنيع هرمية ثلاثية الطبقات:

1. تعديل الركيزة (الطلاء الكاره للماء):

• تم تعديل ورق ترشيح السليلوز التجاري باستخدام طريقة الطلاء بالغمس.
• تم تحضير محلول من البولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS) والبولي فينيليدين فلوريد (PVDF) في خليط مذيب من THF/DMF.
• قامت الدراسة بتغيير نسب وزن PDMS/PVDF (2:1، 4:1، 6:1، و8:1) وأوقات الغمر (35، 50، 65، 80 دقيقة، و24 ساعة) بشكل منهجي لتحسين كره السطح للماء.
• بعد الطلاء، تم غسل المرشحات بطريقة الحمام العكسي لإزالة المذيبات المتبقية وتجفيفها.

2. تصنيع الطبقة النشطة (هجين المكسين/الشيتوزان):

• تم نخر مسحوق طور Ti₃AlC₂ MAX باستخدام حمض الهيدروفلوريك (HF) بتركيز 7% لمدة 24 ساعة لإنتاج صفائح المكسين (MXene) النانوية.
• تم إذابة الشيتوزان في محلول من حمض الخليك/الماء.
• تم تشتيت صفائح المكسين النانوية في الماء عبر الموجات فوق الصوتية ودمجها مع محلول الشيتوزان. تم خلط المزيج بالصوتيات والتقليب لإنشاء محلول هجين مستقر ومتجانس.

3. التجميع النهائي:

• تم غمس ورق الترشيح الكاره للماء الأمثل (المطلي بـ PDMS/PVDF) في محلول الشيتوزان/المكسين لترسيب الطبقة العلوية النشطة.
• المنتج النهائي عبيد مركب متعدد الطبقات: دعم سليلوزي، طبقة وسيطة من PD-MS/PVDF، وطبقة علوية من الشيتوزان/المكسين.

4. التوصيف والاختبار:

• الخصائص السطحية: تم قياس زوايا تلامس الماء لتحديد درجة كره السطح للماء.
• التحليل الهيكلي: تم استخدام FTIR، وXRD، وFESEM، وEDS mapping، وUV-vis DRS لتحليل المورفولوجيا، والتبلور، والتوزيع العنصري، والخصائص البصرية.
• الأداء: تم اختبار تقليل COD تحت مستويات pH متغيرة (4، 7، 10)، وأوقات تلامس (20-120 دقيقة)، وتركيزات H₂O₂ (20-50 جزء في المليون) باستخدام طريقة أكسدة الدايكرومات القياسية.

النتائج الرئيسية

• تحسين كره الماء:

• اعتمدت زاوية التلامس بشكل كبير على نسبة البوليمر ووقت الغمر.

• حققت نسبة PDMS/PVDF بنسبة 4:1 أعلى درجة من كره الماء. وتحديداً، حققت العينة التي غُمست لمدة 65 دقيقة أقصى زاوية تلامس بلغت 120.12 درجة (العينة B3).

• أدت النسب الأقل (2:1) إلى زوايا تلامس أقل (أقل من 90 درجة)، بينما أظهرت النسب الأعلى (6:1 و8:1) انخفاضاً في كره الماء، وهو ما يعزى إلى احتمال انفصال الطور، أو تنعيم السطح، أو انخفاض خشونة السطح الناتج عن زيادة الـ PDMS.

• أدت أوقات الغمر التي تتجاوز 65 دقيقة عموماً إلى انخفاض طفيف أو استقرار في زاوية التلامس، مما يشير إلى سمك طلاء وملمس سطحي أمثل.

• التوصيف الهيكلي والمورفولوجي:

• FTIR: أكد التفاعل بين المكسين والشيتوزان، حيث أظهر تداخل نطاقات O–H/N–H (~3445 cm⁻¹) واهتزازات Ti–O/Ti–C، مما يشير إلى وجود روابط هيدروجينية قوية.

• XRD: أظهر المركب إزاحة في قمم المكسين نحو زوايا أقل وانخفاضاً في الكثافة، مما يشير إلى تداخل جزيئات الشيتوزان بين طبقات المكسين وزيادة في المسافة البينية (d-spacing).

• FESEM/EDS: كشف عن سطح هرمي خشن يتكون من صفائح المكسين النانوية المتراكمة والمدمجة في مصفوفة الشيتوزان. وأكد رسم الخرائط بـ EDS التوزيع المنتظم لـ Ti وC وO وN، وبنية متميزة متعددة الطبقات مع التصاق بيني قوي بركيزة السليلوز.

• الخصائص البصرية: أشار تحليل DRS إلى أن مركب الشيتوزان/المكسين أظهر امتصاصاً أعلى للضوض عبر نطاق الطول الموجي مقارنة بالمكسين وحده، مما يشير إلى تعزيز الخصائص الإلكترونية أو البصرية.

• أداء تقليل COD:

• أظهر المرشح قدرات كبيرة في إزالة COD.

• الاعتماد على الوقت: عند pH 4، زادت إزالة COD من 3.3% (20 دقيقة) إلى حوالي 59.8% (120 دقيقة). وعند pH 10، وصلت الإزالة إلى حوالي 62.5% بعد 120 دقيقة.

• تأثير pH: أظهرت الظروف القلوية (pH 10) كفاءة إزالة أعلى قليلاً من الظروف الحمضية، ويرجع ذلك على الأرجح إلى تعزيز تكوين جذور الهيدروكسيل.

• تأثير H₂O₂: عند pH متعادل (7) و120 دقيقة، أدت زيادة تركيز H₂O₂ من 20 إلى 50 جزء في المليون إلى تحسين إزالة COD بشكل كبير (من 7.5% إلى 43.6%)، مما يشير إلى أن النظام يعمل في نظام محدود بالجذور الحرة ضمن هذا النطاق.

الأهمية والادعاءات
يزعم البحث أن الأهمية الأساسية لهذا العمل تكمن في النجاح في تصنيع نظام ترشيح عالي الأداء ومنخفض التكلفة باستخدام ورق ترشيح السليلوز المتوفر تجارياً كركيزة. ومن خلال الاستغناء عن الحاجة إلى أغشية كارهة للماء تجارية باهظة الثمن، توفر الدراسة استراتيجية قابلة للتوسع لمعالجة مياه الصرف الصحي.

ويؤكد المؤلفون أن البنية متعددة الطبقات تعمل بشكل تآزري:

1. تقوم طبقة PDMS/PVDF بتحويل الركيزة المحبة للماء إلى سطح كاره للماء، مما ينظم نفاذية الماء ويزيد من زمن بقائه.
2. تعمل الطبقة العلوية من الشيتوزان/المكسين كحاجز امتزاز وعامل ضوئي في آن واحد. حيث تسهل صفائح المكسين النانوية توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) للتحلل التأكسدي للملوثات العضوية، بينما تمنع مصفوفة الشيتوزان إعادة تراكم الصفائح وتعزز التوافق البيني.
3. يحقق النظام ترشيحاً فيزيائياً وتحللاً كيميائياً في وقت واحد، مما يؤدي إلى تقليل فعال لـ COD دون الحاجة إلى مواد معقدة أو مكلفة.

تخلص الدراسة إلى أن التحكم في تركيب البوليمر ووقت الغمر أمر بالغ الأهمية لضبط قابلية البلل، وأن المرشح الهجين الناتج يقدم حلاً قابلاً للتوسع وفعالاً لتحسين كفاءة الترشيح في تطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي.