Evaluation and Utilization of Iron Oxide Nanoparticles Impregnated Onto Polyurethane for the Removal of Contaminants From River Wudil

تعد المياه المورد الأكثر أهمية للحياة، ومع ذلك، في أجزاء كثيرة من العالم، أصبحت الأنهار التي تتدفق عبر المجتمعات غير آمنة بشكل متزايد. في الدول النامية، يعتمد الناس غالباً على المياه السطحية للشرب والغسيل والزراعة، لكن هذه المصادر غالباً ما تكون ملوثة بالمخلفات الصناعية، والمواد الكيميائية الزراعية، والنفايات المنزلية. وعندما تدخل المعادن الثقيلة مثل الرصاص أو الكادميوم، جنباً إلى جنب مع الملوثات العضوية، إلى الماء، فإنها تشكل مخاطر جسيمة على صحة الإنسان والنظام البيئي المحلي. إن إزالة هذه الملوثات تمثل تحدياً صعباً؛ فالطرق التقليدية غالباً ما تتطلب مواد كيميائية باهظة الثمن، وتستهلك كميات هائلة من الطاقة، أو تترك وراءها نفايات ثانوية يصعب التخلص منها. وقد بحث العلماء طويلاً عن حل لا يكون فعالاً في تنقية المياه فحسب، بل يكون أيضاً ميسور التكلفة ومستداماً لتستخدمه المجتمعات المحلية.

في دراسة حديثة، عالج باحثون في نيجيريا هذه المشكلة من خلال ابتكار نوع جديد من مواد التنظيف من مصدرين غير متوقعين: قشور الموز (البلانتين) المستعملة وجزيئات أكسيد الحديد النانوية. ركز الفريق، بقيادة بول أوتشيجي أمه من أكاديمية الشرطة النيجيرية، على نهر ووديل، وهو مصدر مائي حيوي لمدينة ووديل في الشمال. وقد وُجد أن النهر ملوث بشدة، مع مستويات عالية من العكارة، والمعادن الثقيلة الخطيرة، والنفايات العضوية التي جعلت المياه غير صالحة للاستهلاك. ولمعالجة ذلك، طور الباحثون مادة نانوية مركبة. لقد أخذوا الهيكل الرغوي للبولي يوريثان، وهو مادة اصطناعية شائعة، ودمجوها مع جزيئات دقيقة من أكسيد الحديد. ومن أجل جعل العملية مستدامة ومنخفضة التكلفة، استبدلوا المكونات الاصطناعية الغالية التي تُستخدم عادةً لصنع الرغوة بمعجون مصنوع من قشور الموز المجففة والمطحونة، وهو منتج من النفايات الزراعية الشائعة في المنطقة.

كان على الباحثين أولاً إثبات أن مادتهم الجديدة، التي أطلقوا عليها اسم PUF-IONP، هي بالفعل ما أرادوا لها أن تكون. فقد فحصوا المادة تحت مجاهر قوية واستخدموا تقنيات تعتمد على الضوء لتحليل تركيبها الكيميائي. وأكدت النتائج أن جزيئات أكسيد الحديد النانوية قد دُمجت بنجاح داخل مصفوفة الرغوة. وتميزت المادة ببنية مسامية للغاية، مما يعني أنها مليئة بالثقوب والقنوات الصغيرة، مما منحها مساحة سطح هائلة مقارنة بوزنها. وهذا أمر مهم لأن مساحة السطح الكبيرة تسم تسمح للمادة بالإمساك بمزيد من الملوثات والاحتفاظ بها. كما أظهر التحليل أن المادة مستقرة ويمكنها تحمل الظروف الحرارية والكيميائية لعملية معالجة مياه الصرف الصحي دون أن تتفكك.

عندما اختبر الفريق المادة على مياه مأخوذة مباشرة من نهر ووديل، كانت النتائج مذهلة. فقد مرروا المياه الخام الملوثة عبر عمود محشو برغوتهم الجديد. عملت المادة مثل إسفنجة عالية الكفاءة، حيث حبست الملوثات أثناء تدفق المياه من خلالها. وقد قللت المعالجة من عكارة المياه، المعروفة باسم "التعكر"، بنسبة تقارب 99 بالمائة. كما أزالت 90 بالمائة من الرصاص، و83 بالمائة من الكادميوم، و80 بالمائة من النيكل. وانخفضت مستويات الطلب على الأكسجين الكيميائي، وهو مقياس للتلوث العضوي، بأكثر من 86 بالمائة. ووجدت الدراسة أن المادة تعمل بشكل أفضل عندما تكون المياه حمضية قليلاً، وأنها تستطيع إزالة الملوثات بسرعة، حيث تصل إلى أقصى قدرة تنظيف لها في غض ضيق من الزمن (خلال ساعة واحدة). لم تكن العملية فعالة فحسب، بل كانت أيضاً متسقة، حيث اتبعت نمطاً يمكن التنبؤ به حيث تعتمد سرعة التنظيف على كمية الملوثات الموجودة بدلاً من مجرد سطح المادة.

كانت واحدة من أهم النتائج هي أن المادة ليست منتجاً للاستخدام لمرة واحدة. فبعد أن حاصرت الرغوة الملوثات، تمكن الباحثون من غسل الملوثات باستخدام محلول حمضي مخفف، مما أدى بفعالية إلى تجديد المادة. وقد كرروا دورة التنظيف والغسل هذه عدة مرات، وظلت المادة تحتفظ بقدرتها على إزالة الملوثات حتى بعد عدة استخدامات. وتعد قابلية إعادة الاستخدام هذه عاملاً حاسماً للتطبيق العملي، إذ يعني ذلك أنه يمكن استخدام المادة بشكل متكرر في محطة معالجة حقيقية دون الحاجة إلى استبدال مستمر. علاوة على ذلك، كشف تحليل التكلفة أن إنتاج هذه المادة الممتزة كان رخيصاً بشكل ملحوظ، حيث تكلف أقل بكثير لكل جرام من الكربون المنشط التجاري أو البدائل الأخرى عالية التقنية. وقد أدى استخدام نفايات الموز المحلية كمادة خام إلى خفض التكلفة، مما جعل هذه التكنولوجيا متاحة للمجتمعات التي لا تستطيع تحمل تكاليف الحلول المستوردة الباهظة.

خلصت الدراسة إلى أن هذا المركب النانوي يقدم طريقة واعدة ومنخفضة التكلفة وصديقة للبيئة لمعالجة مياه الأنهار الملوثة. ومن خلال تحويل النفايات الزراعية إلى أداة تنظيف عالية الأداء، أثبت الباحثون مساراً نحو إدارة مستدامة للمياه. وقد أثبتت المادة قدرتها على إزالة مجموعة واسعة من الملوثات الخطيرة من نهر ووديل، مما أعاد المياه إلى حالة أكثر أماناً بكثير. وبينما أُجريت الدراسة على نطاق مختبري، فإن النتائج تشير إلى إمكانية توسيع نطاق هذا النهج لمعالجة كميات أكبر من المياه، مما يوفر حلاً قابلاً للتطبيق للمجتمعات التي تعاني من تلوث المياه. يسلط هذا العمل الضوء على كيفية الجمع بين الموارد المحلية البسيطة وتقنيات النانو المتقدمة لابتكار أدوات قوية لحل بعض أكثر التحديات البيئية إلحاحاً في عصرنا.