Study on the removal efficiency of Cr(VI) from corn cob biochar loaded with zero-valent iron on wastewater

تشكل المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة تهديداً مستمراً للأنظمة البيئية وصحة الإنسان، مما يتطلب يقظة وابتكاراً مستمرين لتنظيفها. ومن بين هذه الملوثات، يبرز الكروم سداسي التكافؤ كعنصر خطير بشكل خاص؛ فهو شكل سام من معدن الكروم يوجد غالباً في مياه الصرف الصناعي، وقادر على إحداث ضرر شديد إذا دخل في السلسلة الغذائية أو إمدادات مياه الشرب. تعتمد الطرق التقليدية لإزالة مثل هذه السموم غالباً على مواد كيميائية باهظة الثمن أو آلات معقدة، لكن الباحثين يتطلعون بشكل متزايد نحو الطبيعة لإيجاد حلول أبسط وأرخص. ويتمثل أحد المسارات الواعدة في "البيوتشار" (الفحم الحيوي)، وهو مادة تشبه الفحم تُصنع عن طريق حرق المواد النباتية في بيئة منخفضة الأكسجين. هذه المادة مسامية بطبيعتها وتعمل مثل الإسفنجة، حيث تحجز الملوثات على سطحها. ومع ذلك، يفتقر البيوتشار القياسي أحياناً إلى القوة اللازمة للإمساك بأكثر السموم استعصاءً بكفاءة. ولحل هذه المشكلة، يتعلم العلماء كيفية دمج البيوتشار مع الحديد صفري التكافؤ، وهو شكل عالي التفاعل من الحديد يمكنه تفكيك المعادن السامة كيميائياً إلى نسخ أكثر أماناً. وكان التحدي يكمن في منع هذه الجزيئات الحديدية من التكتل معاً، مما يوقف عملها بفعالية.

في دراسة حديثة، سعى الباحثون لإنشاء مادة تنظيف فائقة من خلال دمج بيوتشار كيز التمر (عرانيس الذرة) مع الحديد صفري التكافؤ، باستخدام مكون طبيعي مدهش لربطهما معاً. فبدلاً من استخدام مواد كيميائية صناعية قاسية لإنشاء جزيئات الحديد، لجأ الفريق إلى مستخلص بذور العنب، وهو منتج ثانوي من صناعة النبيذ غني بالمركبات الطبيعية التي يمكنها اختزال المعادن. لقد أخذوا كيز الذرة المجففة، وهي منتج زراعي ثانوي شائع غالباً ما يتم حرقه أو التخلص منه، وسخنوها لإنتاج بيوتشار مسامي. وفي عملية منفصلة، خلطوا أملاح الحديد مع مستخلص بذور العنب لتوليد جزيئات حديد صغيرة وعالية التفاعل. ومن خلال دمج هذين المكونين، أنشأوا مادة مركبة حيث تم تثبيت جزيئات الحديد على سطح البيوتشار. وقد منع هذا النهج الحديد من التكتل وضمن بقاء المواقع التفاعلية معرضة للمياه. ثم اختبر الباحثون هذه المادة الجديدة في بيئة محكومة، حيث عرضوها لمياه تحتوي على الكروم سداسي التكافؤ لمعرفة مدى قدرتها على تنظيف المحلول.

كانت نتائج التجربة مذهلة. فعندما استخدم الفريق بيوتشار كيز الذرة المحمل بالحديد المصنوع من بذور العنب، قامت المادة بإزالة ما يقرب من 96 بالمائة من الكروم من الماء. كان هذا الأداء أفضل بكثير من استخدام البيوتشار وحده أو الحديد وحده. تمكنت المادة من الاحتفاظ بكمية كبيرة من السم، حيث التقط كل جرام من المركب أكثر من 24 مليغراماً من الكروم. ووجد الباحثون أن نسبة الحديد إلى الكربون في الخليط كانت مهمة للغاية؛ فعندما وازنوا بين المكونين بالتساوي، وصلت كفاءة التنظيف إلى ذروتها. فإذا كان هناك الكثير من الحديد، بدأت الجزيئات في ازدحام بعضها البعض، مما قلل من مساحة السطح المتاحة للتفاعل. وبالمثل، لعبت حموضة الماء دوراً حاسماً؛ فقد عملت المادة بشكل أفضل في الظروف الحمضية، حيث تحدث التفاعلات الكيميائية التي تفكك السم بأكبر قدر من السهولة. ومع تحول الماء إلى حالة أكثر تعادلاً أو قلوية، انخفض معدل الإزالة، رغم أن المادة ظلت تتفوق على البيوتشار غير المعدل حتى في الظروف الأقل ملاءمة.

لفهم كيفية عمل هذه المادة بدقة، فحصها العلماء تحت مجاهر قوية وحللوا تركيبها الكيميائي قبل وبعد تنظيف الماء. وقد لاحظوا أن جزيئات الحديد، التي تميل طبيعياً للالتصاق ببعضها في كتل كبيرة، قد تم فصلها بنجاح ونشرها عبر السطح الخشن لبيوتشار كيز الذرة. كان هذا الفصل هو المفتاح للحفاظ على مساحة سطح عالية للتفاعل. وكشف التحليل الكيميائي أن عملية التنظيف لم تكن مجرد احتجاز فيزيائي بسيط للمعدن، بل إن المادة انخرطت في تحول كيميائي. فقد قامت جزيئات الحديد التفاعلية بمنح الإلكترونات للكروم السام، مما غيره من شكله سداسي التكافؤ الخطير إلى شكل ثلاثي التكافؤ أقل سمية بكثير. وفي الوقت نفسه، تأكسد الحديد نفسه وتحول إلى أكاسيد الحديد. وساعد سطح البيوتشار، الغني بالمجموعات المحتوية على الأكسجين، في تثبيت أيونات المعدن من خلال التجاذب الكهروستاتيكي والترابط الكيميائي. هذا العمل المزدوج من الاختزال الكيميائي والامتزاز الفيزيائي يعني أن المادة كانت تقوم بمهمتين في آن واحد: تحييد السم وحبسه.

كما بحثت الدراسة فيما إذا كان يمكن استخدام هذه المادة أكثر من مرة، وهو عامل حاسم للتطبيق في العالم الحقيقي. فبعد أن امتصت المادة الكروم، غسلها الباحثون بمحلول قلوي خفيف لتحرير المعدن المحتجز، مما أدى فعلياً إلى تجديد المادة. وكرروا هذه الدورة خمس مرات. وبينما انخفضت الكفاءة مع كل استخدام، من ما يقرب من 97 بالمائة إلى ما يزيد قليلاً عن 50 بالمائة، إلا أن المادة لا تزال تحتفظ بقدرة كبيرة على تنظيف الماء. وهذا يشير إلى أن المركب مستقر بما يكفي لإعادة استخدامه عدة مرات قبل الحاجة إلى استبداله، مما يجعله خياراً يحتمل أن يكون فعالاً من حيث التكلفة لمعالجة مياه الصرف الصحي. وتؤكد الأبحاث أن استخدام النفايات الزراعية مثل كيز الذرة وبذور العنب لإنشاء مواد تنظيف متطورة هو مسار قابل للتطبيق. ومن خلال تحويل النفايات إلى أداة عالية الأداء لحماية البيئة، توضح الدراسة طريقة عملية لمعالجة تلوث المعادن الثقيلة دون الاعتماد على مواد كيميائية اصطناعية باهظة الثمن أو سامة. ويسلط العمل الضوء على أن الحلول الأكثر فعالية تكمن غالباً في دمج الموارد الطبيعية البسيطة مع فهم عميق لكيفية تفاعلها على المستوى الجزيئي.