Sugarcane bagasse biochar functionalized with ZnO via zinc hydroxychloride thermal conversion for enhanced photocatalytic degradation of paracetamol

تُصمم محطات معالجة المياه لتنظيف أنهارنا وبحيراتنا، لكنها غالباً ما تعاني مع نوع محدد من التلوث غير المرئي: الآثار الضئيلة من الأدوية التي نتخلص منها عبر الصرف الصحي. فعندما يتناول الناس مسكنات الألم مثل الباراسيتامول، لا تمتص أجسامهم كل جزيء؛ بل يمر الجزء المتبقي عبر نظام الصرف الصحي وينتهي به المطاف في البيئة، حيث يمكن أن يضر بالأسماك والحياة البرية الأخرى. ولأن هذه المواد الكيميائية مستمرة للغاية وتوجد بكميات صغيرة جداً، فإن طرق التنظيف القياسية لا تستطيع إزالتها بفعالية. وقد لجأ العلماء إلى حل قوي يسمى "التحفيز الضوئي"، وهي عملية تستخدم الضوء لتحفيز تفاعل كيميائي يعمل على تفكيك الملوثات. ومن المواد الشائعة المستخدمة لهذا الغرض أكسيد الزنك، وهو مسحوق أبيض يعمل مثل الإسفنجة لامتصاص طاقة الضوء. ومع ذلك، يعيب هذه المادة عيب واحد: فعندما تمتص الضوء، غالباً ما تلغي الطاقة التي تلتقطها نفسها قبل أن تتمكن من القيام بأي عمل تنظيفي، كما أن الجسيمات الصغيرة يصعب جمعها بعد انتهاء المهمة.

ولحل هذه المشكلات، طور باحثون في الجامعة الاتحادية في إيتاجوبا بالبرازيل طريقة جديدة لدمج أكسيد الزنك مع مادة مصنوعة من النفايات الزراعية. فقد أخذوا "تفل قصب السكر"، وهو البقايا الليفية المتبقية بعد عصر قصب السكر لصنع العصير، وحولوها إلى مادة مسامية تشبه الفحم تُعرف باسم "البيوتشار" (الفحم الحيوي). وبدلاً من خلط المواد معاً في سائل، قاموا بتنمية أكسيد الزنك مباشرة على سطح هذا البيوتشار باستخدام عملية معالجة حرارية. وكانت النتيجة مادة مركبة حيث تم تثبيت جسيمات أكسيد الزنك الممتصة للضوء بإحكام على البيوتشار الغني بالكربون. وقد سمح هذا الإعداد للبيوتشار بأن يعمل كهيكل دعم يحافظ على بقاء جسيمات أكسيد الزنك منفصلة ومستقرة، وفي الوقت نفسه يساعد في إدارة تدفق الطاقة بحيث يمكن أن يحدث تفاعل التنظيف بكفاءة أكبر.

اختبر الفريق هذه المادة الجديدة من خلال محاولة إزالة الباراسيتامول من الماء تحت مصدر ضوئي. ووجدوا أن المادة المدعومة بالبيوتشار كانت متفوقة بمراحل على استخدام مسحوق أكسيد الزنك العادي. ففي تجاربهم، أزالت المادة المركبة الجديدة أكثر من 78 بالمائة من الباراسيتامول من الماء في 90 دقيقة فقط، بينما تمكن مسحوق أكسيد الزنك القياسي من إزالة أقل من نصف هذه الكمية في نفس الإطار الزمني. ولاحظ الباحثون أن الطبيعة المسامية للبيوتشار ساعدت في حجز جزيئات الدواء بالقرب من المواقع النشطة لأكسيد الزنك، مما أعطى التفاعل دفعة قوية للبدء. علاوة على ذلك، أظهرت المادة سرعة أكبر بكثير في التحلل، حيث فككت الملوث بمعدل يزيد عن ضعف معدل المسحوق غير المعدل.

ولفهم كيفية حدوث عملية التنظيف هذه بدقة، استخدم العلماء مواد كيميائية خاصة لتعطيل أجزاء مختلفة من عملية التفاعل. واكتشفوا أن تفكك الدواء كان مدفوعاً بفريق من العوامل التفاعلية؛ حيث كانت المساعدات الأكثر أهمية هي جذور الهيدروكسيل وجذور السوبر أكسيد، وهي جسيمات عالية الطاقة تهاجم وتفكك جزيئات العقاقير. وقد لعب البيوتشار دوراً حاسماً في توليد هذه الجذور من خلال المساعدة في فصل الشحنات الكهربائية الناتجة عن الضوء، مما يمنع هدر طاقتها. ورغم أن المادة أظهرت بعض التراجع في الأداء بعد الاستخدامات المتكررة، ويرجع ذلك على الأرجح إلى انسداد المسام بالبقايا المترسبة، إلا أنها ظلت مستقرة بما يكفي لاعتبارها مرشحاً واعداً لأنظمة معالجة المياه المستقبلية. ويشير هذا العمل إلى أن تحويل النفايات الزراعية إلى أداة تنظيف عالية التقنية يمكن أن يوفر وسيلة منخفضة التكلفة وفعالة لحماية إمدادات المياه لدينا من التهديد المتزايد للتلوث الدوائي.