BiOBr/MoWO4 p-n heterojunction photoanode for photodegradation of norfloxacin in water

تعد تنقية المياه معركة مستمرة ضد المواد التي ترفض التحلل. وبينما تعمل الطرق التقليدية مثل الترشيح أو المعالجة الكيميائية بشكل جيد مع العديد من الشوائب، فإنها غالباً ما تفشل أمام بقايا الأدوية المستعصية التي تتسلل عبر الثغرات. هذه الأدوية المتبقية، مثل المضادات الحيوية، يمكن أن تبقى في الأنهار والبحيرات، مما يساهم في نهاية المطاف في ظهور البكتيريا المقاومة للأدوية ويشكل مخاطر طويلة الأمد على النظم البيئية وصحة الإنسان. ولحل هذه المشكلة، يتجه العلماء إلى عمليات الأكسدة المتقدمة، التي تستخدم الطاقة لإنشاء جزيئات عالية التفاعل قادرة على مهاجمة وتفكيك هذه الملوثات الصعبة. أحد النهج الواعدة يجمع بين الضوء والكهرباء؛ ففي هذه الطريقة، تعمل مادة خاصة كجسر، حيث تمتص ضوء الشمس لإنشاء جزيئات مشحونة يتم توجيهها بعد ذلك بواسطة تيار كهربائي. تساعد هذه القوة المزدوجة في فصل الشحنات الموجبة والسالبة التي تُنتج عادةً، مما يمنعها من إلغاء بعضها البعض ويسمح لها بالعمل بكفاءة لتدمير الملوثات.

لقد طور باحثون في جامعة جوهانسبرغ مادة جديدة صُممت لجعل هذه العملية أكثر فعالية بشكل ملحوظ. فقد صنعوا مصعداً ضوئياً مركباً (composite photoanode)، وهو نوع من الأقطاب الكهربائية التي تولد كهرباء عند تعرضها للضوء، عن طريق دمج اثنين من أشباه الموصلات المختلفة: أكسي بروميد البزموت وتنجستات الموليبدينوم. وقد تم تخليق هاتين المادتين معاً باستخدام عملية هيدروحرارية، والتي تتضمن تسخين الماء تحت ضغط عالٍ لتشجيع نمو البلورات والترابط بينها. كان الهدف هو تكوين نوع محدد من الاتصال يُعرف باسم "وصلة p-n المتغايرة" (p-n heterojunction). وببساطة، تحمل إحدى المادتين طبيعياً فائضاً من الشحنات الموجبة بينما تحمل الأخرى فائضاً من الشحنات السالبة. وعند تلامسهما، يخلقان مجالاً كهربائياً داخلياً يعمل كشارع ذي اتجاه واحد، مما يجبر الجزيئات المشحونة على التحرك في اتجاهات محددة بدلاً من الارتداد عشوائياً. وقد صُمم هذا الإعداد لحل مشكلة شائعة في التحفيز الضوئي حيث تعود الشحنات المفيدة وتندمج وتختفي قبل أن تتمكن من القيام بأي عمل.

اختبر الفريق هذه المادة الجديدة من خلال محاولة تفكيك النوروفلوكساسين، وهو مضاد حيوي شائع يوجد في مياه الصرف الصحي. وضعوا المصعد الضوئي في محلول يحتوي على الدواء وعرضوه للضوء المرئي مع تطبيق تيار كهربائي صغير. وأظهرت النتائج تفوقاً واضحاً للمادة المركبة. ففي ظل ظروف مثالية، أزال مركب أكسي بروميد البزموت وتنجستات الموليبدينوم 85% من النوروفلوكساسين من الماء. وكان هذا الأداء أفضل بشكل ملحوظ من استخدام أي من المادتين الأصليتين بمفردهما، اللتين أزالتا 71% و56% على التوالي. وأكد الباحثون أن هذا التحسن جاء من الطريقة التي تعمل بها المادتان معاً للحفاظ على انفصال الشحنات، مما يسمح لمزيد منها بالوصول إلى سطح القطب الكهربائي ومهاجمة جزيئات الملوثات.

ولفهم كيفية حدوث التدمير بدقة، استخدم العلماء "المكنسات الكيميائية" (chemical scavengers)، وهي مواد تعمل على تحييد أنواع معينة من الجزيئات التفاعلية. ووجدوا أن أهم العوامل في عملية التفكك كانت "الثقوب" الموجبة الشحنة وجذور "السوبر أكسيد" الحرة. عملت هذه الجزيئات كأسلحة رئيسية، حيث قامت بسلب الإلكترونات من جزيئات المضاد الحيوي وتفكيكها. كما قامت الدراسة أيضاً بقياس مقدار تحول الدواء بالكامل إلى مواد غير ضارة مثل ثاني أكسيد الكربون والماء، وهي عملية تسمى "المعدنة" (mineralization). وفي بيئة مائية محاكية، حققت المادة معدل معدنة بنسبة 41%. ومع ذلك، عند اختبارها في مياه صرف حقيقية تم جمعها من محطة معالجة في جنوب أفريقيا، قفزت الكفاءة إلى 7اً0%. يشير هذا التحسن غير المتوقع في الظروف الواقعية إلى أن المكونات الموجودة طبيعياً في مياه الصرف الصحي قد ساعدت العملية، ربما من خلال المساعدة في توليد المزيد من الجزيئات التفاعلية المطلوبة للمهمة.

كما وُضعت متانة المادة الجديدة أيضاً تحت الاختبار. أجرى الباحثون عملية التحلل خمس مرات متتالية باستخدام نفس القطب الكهربائي لمعرفة ما إذا كان سيتآكل أو يفقد فعاليته. وبينما انخفض معدل الإزالة قليلاً بعد الاستخدام المتكرر، إلا أن المادة ظلت سليمة من الناحية الهيكلية. وأظهر تحليل البنية البلورية قبل وبعد التجارب عدم وجود تغييرات كبيرة، مما يشير إلى أن المادة لم تتفتت أو تتحلل كيميائياً أثناء العملية. علاوة على ذلك، أثبت الفريق أن هذا القطب ليس مقتصرًا على نوع واحد فقط من الأدوية؛ فقد أظهر أيضاً أداءً جيداً عند استخدامه لتفكيك مضادات حيوية شائعة أخرى مثل التتراسايكلين والسيبروفلوكساسين. ومن خلال الجمع بنجاح بين اثنين من أشباه الموصلات المتميزة في نظام مستقر وفعال، قدم الباحثون مساراً قابلاً للتطبيق نحو معالجة المياه الملوثة بالأدوية، مما يوفر أداة مستدامة يمكن أن تساعد في حماية موارد المياه من التهديد المتزايد لبقايا الأدوية المستمرة.