Synergistic Adsorption-Reduction-Immobilization of Cr(VI) by Fe/Mg-LDH/Biochar:Experimental Validation and DFT/AIMD Mechanistic Insights

إن التربة تحت أقدامنا هي نظام حي معقد، ولكن يمكنها أيضاً أن تصبح مستودعاً للمواد الكيميائية الخطرة. ومن بين أكثر هذه المواد استمراراً وضررًا هي المعادن الثقيلة مثل الكروم. في البيئة، يوجد الكروم في شكلين رئيسيين؛ أحد هذين الشكلين، المعروف باسم الكروم ثلاثي التكافؤ، مستقر نسبياً بل وهو ضروري للحياة بكميات صغيرة. أما الشكل الآخر، وهو الكروم سداسي التكافؤ، فهو قصة مختلفة تماماً؛ فهو شديد السمية، ويتحرك بسهولة عبر الماء والتربة، ويمكن أن يسبب مشاكل صحية خطيرة، بما في ذلك السرطان، إذا دخل في السلسلة الغذائية أو مياه الشرب. ولأن الكروم سداسي التكافؤ ينتقل بسهولة كبيرة، فإن مجرد دفن التربة الملوثة غالباً ما يكون غير كافٍ؛ إذ يمكن للسم أن يتسرب مرة أخرى، خاصة عندما تغسل الأمطار الأرض أو تتغير كيمياء التربة. لقد سعى العلماء طويلاً لإيجاد طريقة لحجز هذا السم المتنقل، وتحويله إلى شكل صلب غير ضار يبقى في مكانه لعقود.

لقد طور باحثون في جامعة شانغهاي مادة جديدة صُممت لحل هذه المشكلة تحديداً. فقد ابتكروا مادة مركبة من خلال دمج مكونين متميزين: نوع من المعادن الطبقية يسمى الهيدروكسيد المزدوج، ومادة غنية بالكربون تُعرف باسم الفحم الحيوي (Biochar). يعمل المعدن مثل الإسفنجة التي يمكنها الإمساك بالكروم السام وتغيير طبيعته الكيميائية، بينما يعمل الفحم الحيوي كدعامة متينة ومسامية تثبت المعدن في مكانه وتساعده على العمل بكفاءة أكبر. ومن خلال تنمية المعدن مباشرة على سطح الفحم الحيوي، أنشأ الفريق مادة هي أكثر فعالية بكثير من أي من المكونين بمفرده. ويوضح عملهم أن هذا المركب الجديد لا يمكنه فقط التقاط الكروم من الماء، بل يمكنه أيضاً حبسه بإحكام في التربة الملوثة، مما يمنعه من أن يصبح تهديداً مرة أخرى.

بدأت الرحلة لإنشاء هذه المادة بملاحظة بسيطة: بينما يعد المكون المعدني ممتازاً في الإمساك بالكروم، فإنه يميل إلى التكتل في التربة، مما يفقده الكثير من فعاليته. أما الفحم الحيوي، فبالرغم من امتلاكه شبكة واسعة من الثقوب الدقيقة وسطحاً مليئاً بالمجموعات الكيميائية التي يمكنها التفاعل مع الملوثات، إلا أنه يفتقر إلى القدرة النوعية على تحويل الكروم السام إلى شكل آمن. قرر الباحثون دمج الاثنين معاً؛ حيث أخذوا قش الذرة، وهو نفايات زراعية شائعة، وسخنوه في بيئة محكومة لتحويله إلى فحم حيوي. ثم أدخلوا مكونات المعدن مباشرة على سطح هذا الفحم الحيوي. ومن خلال عملية كيميائية، نما المعدن على شكل صفائح رقيقة مسطحة التصقت بقوة بالهيكل الكربوني، مما خلق مادة هجينة أطلقوا عليها اسم FML@BC. لم تكن هذه المادة الجديدة مجرد خليط من مسحوقين، بل كان الجزءان مرتبطين كيميائياً، مما شكل بنية واحدة موحدة.

عندما اختبر الفريق هذه المادة الجديدة في الماء، كانت النتائج مذهلة. فقد عرضوا المركب لمحاليل تحتوي على الكروم سداسي التكافؤ تحت مجموعة واسعة من الظروف، بما في ذلك مستويات مختلفة من الحموضة ووجود مواد كيميائية أخرى شائعة في البيئة. أثبتت المادة قدرة فائقة على الصمود؛ حيث أزالت أكثر من ثمانين بالمائة من الكروم السام عبر نطاق واسع من الأس الهيدروجيني (pH)، من الحموضة الطفيفة إلى التعادل تقريباً، وهي الظروف النموذجية لمعظم التربة الطبيعية. وفي اختبار محكم، حققت معدل إزالة أقصى بلغ 96.5 بالمائة. كان هذا الأداء أفضل بكثير من الفحم الحيوي وحده أو المعدن وحده، وكان أيضاً متفوقاً على مجرد خلط فيزيائي لكليهما. وكان المفتاح هو الرابط الكيميائي بينهما؛ فهذا الاتصال منع صفائح المعدن من التكتل وضمن بقاء مواقعها النشطة معرضة وجاهزة للعمل. كما أظهرت المادة متانة كبيرة، حيث حافظت على فعاليتها حتى بعد استخدامها وتنظيفها خمس مرات متتالية.

ولرؤية ما إذا كانت هذه المادة يمكن أن تعمل في العالم الحقيقي، انتقل الباحثون من المختبر إلى التربة الفعلية. فقد أخذوا تربة من حقل في مقاطعة غانسو بالصين، كانت ملوثة بمستويات عالية من الكروم. خلطوا المركب الجديد في التربة بكميات مختلفة وانتظروا ليروا ماذا سيحدث. وعلى مدار تسعين يوماً، راقبوا التربة لمعرفة ما إذا كان يمكن غسل الكروم منها بواسطة الماء، وهي عملية تحاكي ما يحدث أثناء الأمطار الغزيرة. كانت النتائج واضحة؛ ففي التربة غير المعالجة، كان مقدار الكروم الذي يمكن أن يتسرب عالياً فوق حدود السلامة التي وضعتها الوكالات البيئية. ومع ذلك، في التربة المعالجة بـ 2% فقط من المركب الجديد، انخفض مقدار الكروم القابل للترشح بشكل كبير، حيث هبط إلى ما دون عتبة السلامة بكثير. وكلما طالت مدة بقاء المادة في التربة، زادت كفاءتها، حيث استمر تركيز الكروم الخطير في الانخفاض خلال فترة الثلاثة أشهر.

نظر الباحثون أيضاً بعمق فيما يحدث للكروم داخل التربة. فقد استخدموا طريقة تفصل الكروم إلى فئات مختلفة بناءً على مدى إحكام ارتباطه. قبل المعالجة، كان معظم الكروم في شكل سائب ومتنقل يمكنه الهروب بسهولة إلى المياه الجوفية. أما بعد المعالجة بالمركب، فقد تحول الجزء الأكبر من ذلك الكروم إلى شكل متبقٍ (residual form). وهذا يعني أن الكروم لم يعد مجرد مستقر على السطح، بل أصبح جزءاً من البنية الصلبة للتربة نفسها، محبوساً في شكل يصعب جداً تحريكه أو إطلاقه. وقد نتج هذا التحول عن قدرة المادة ليس فقط على التقاط الكروم، بل وأيضاً تغيير حالته الكيميائية من سداسي التكافؤ السام إلى ثلاثي التكافؤ الأكثر أماناً، ثم تثبيته هناك بشكل دائم.

لفهم القوى الخفية المؤثرة، استخدم الفريق عمليات محاكاة حاسوبية قوية لمراقبة كيفية تفاعل ذرات الكروم مع المادة على المستوى الجزيئي. وكشفت هذه المحاكاة أن الكروم سداسي التكافؤ السام ينجذب في البداية إلى سطح المعدن، وبمجرد التقاطه، يتم تحويله إلى كروم ثلاثي التكافؤ الأكثر أماناً. وأظهرت المحاكاة أن هذا الشكل الجديد من الكروم يرتبط بالمادة بقوة هائلة، وهي أقوى بكثير من قوة الجذب الأولية؛ حيث يشكل رابطاً كيميائياً وثيقاً يكاد يكون من المستحيل كسره. علاوة على ذلك، أظهرت النماذج الحاسوبية أن مكون الفحم الحيوي يلعب دوراً حاسماً في مساعدة الكروم على الانتقال إلى عمق بنية المادة. إذ توفر الطبيعة المسامية للفحم الحيوي مسارات تسمح للكروم بالتحرك بسهء نحو أكثر المواضع استقراراً، مما يضمن حصره بأمان.

تخلص الدراسة إلى أن هذا المركب الجديد يقدم حلاً واعداً لتنظيف الأراضي الملوثة بالكروم. فمن خلال الجمع بين القوة الكيميائية للمعدن والمزايا الهيكلية للفحم الحيوي، ابتكر الباحثون مادة تتميز بالكفاءة والمتانة. إنها تعمل بسرعة لالتقاط السم، وتحوله إلى شكل آمن، ثم تثبته في مكانه على المدى الطويل، مقاومةً آثار الأمطار وتغير ظروف التربة. ويشير هذا النهج إلى أنه من الممكن تحويل ملوث خطير ومتنقل إلى جزء مستقر وغير ضار من الأرض، مما يوفر مساراً نحو استعادة سلامة التربة التي تضررت جراء النشاط الصناعي.