Schiff Base Polymer and Its Reduced Derivative: Synthesis and Comparative Adsorption toward Cu(II)

تعد المياه التي تحمل النحاس المذاب مشكلة متزايدة، لا سيما من تصنيع لوحات الدوائر الإلكترونية. وبينما يعد النحاس ضرورياً للتكنولوجيا الحديثة، فإن مياه الصرف التي يتركها وراءه تشكل مخاطر على البيئة والصحة العامة إذا لم يتم معالجتها. إن إزالة أيونات المعادن هذه من الماء يمثل تحدياً واجهه العلماء بالعديد من الأدوات، ولكن واحدة من أكثر الطرق واعدة هي الامتزاز. تعتمد هذه العملية على مادة صلبة تعمل مثل الإسفنجة، حيث تلتقط أيونات المعادن من الماء وتتمسك بها بقوة. ويكمن مفتاح "الإسفنجة" الجيدة في امتلاك سطح غني بمجموعات كيميائية محددة تحب الارتباط بالمعادن. ومن بين هذه المجموعات، تم التعرف منذ فترة طويلة على فئة من المركبات تُعرف باسم قواعد شيف (Schiff bases) لقدرتها على العمل كمغناطيس قوي للمعادن الثقيلة، بفضل ذرات النيتروجين التي تشارك إلكتروناتها بسهولة مع أيونات المعادن. ومع ذلك، غالباً ما تعاني هذه المواد من ضعف الاستقرار أو تفتقر إلى عدد كافٍ من المواقع النشطة لتكون فعالة حقاً على نطاق واسل.

في دراسة حديثة، سعى باحثون من جامعة جيانغشي للعلوم والتكنولوجيا إلى بناء نسخة أفضل من هذه المادة. بدأوا بخلط نوعين من المواد الكيميائية البسيطة: نوع من الأمينات العطرية والجلوتارالدهيد، وهو مركب يحتوي على مجموعات ألدهيد. عندما يلتقي هذان المركبان، يرتبطان معاً لتكوين بوليمر، وهو عبارة عن سلسلة طويلة من الوحدات المتكررة، مما يخلق كرات متجانسة وصغيرة تبدو مثل الخرز المجهري. هذه الخرزات غنية بالهياكل القائمة على النيتروجين والتي تسمى "إيمينات"، وهي المواقع النشطة المصممة لالتقاط النحاس. ثم اتخذ الفريق خطوة ثانية حاسمة: قاموا بمعالجة هذه الخرزات بعامل مختزل، وهو مادة كيميائية تغير الروابط داخل المادة. غيرت هذه العملية بعض روابط النيتروجين من روابط ثنائية إلى روابط أحادية، مما حول مجموعات الإيمين فعلياً إلى مجموعات أمين. كان الهدف هو معرفة ما إذا كانت هذه التعديلات الكيميائية ستجعل المادة "صائدة" أفضل لأيونات النحاس، وتحديداً النحاس في حالة الأكسدة +2، وهي الحالة الأكثر شيوعاً في مياه الصرف الصحي.

أظهرت النتائج أن التعديل أحدث فرقاً كبيراً. فالخرز البوليمري الأصلي، الذي كان أملس ومتجانساً، استطاع إزالة النحاس، لكن النسخة المختزلة كان أداؤها أفضل. وفي الاختبارات، وصلت السعة القصوى للمادة غير المعدلة إلى 138.30 ملليغرام من النحاس لكل غرام من المادة. ومع ذلك، استطاعت المشتقة المختزلة الاحتفاظ بـ 234.17 ملليغرام لكل غرام، وهي زيادة كبيرة. عملت كلتا المادتين بسرعة، حيث التقطتا أكثر من ثلاثة أرباع سعتهما الإجمالية خلال ثلاثين دقيقة فقط. ووجد الباحثون أن الرقم الهيدروجيني (pH) للمياه كان العامل الأكثر حرجاً؛ حيث عملت المواد بشكل أفضل في الظروف الحمضية قليلاً، وهي ظروف شائعة في مياه الصرف الصناعية. عند مستويات الرقم الهيدروجيني المنخفضة جداً، تصبح المجموعات الكيميائية الخاصة بالمادة مزدحمة جداً بأيونات الهيدروجين مما يمنعها من التقاط النحاس، بينما عند مستويات الرقم الهيدروجين الأعلى، يبدأ النحاس نفسه في تغيير شكله، مما يجعل التقاطه أصعب.

لفهم سبب كون المادة المختزلة أكثر فعالية بكثير، نظر الفريق بدقة إلى ما حدث داخل الخرز بعد أداء مهمتها. لقد استخدموا التصوير المتقدم والتحليل الطيفي لفحص الحالة الكيميائية للسطح. بالنسبة للبوليمر الأصلي، كان النحاس يُحتجز أساساً من خلال التجاذب الكهروستاتيكي وعبر تكوين روابط تناسقية مع ذرات النيتروجين. أما المادة المختزلة، فقد أظهرت تفاعلاً أكثر تعقيداً. وكشف التحليل أن أيونات النحاس لم تكن مجرد مستقرة على السطح؛ بل إن بعضها قد غير طبيعته الكيميائية بالفعل. فقد سهلت المادة اختزال النحاس من حالة +2 إلى حالة +1، وحتى تكوين رواسب كلوريد النحاس على السطح. هذا الطبقة الإضافية من النشاط الكيميائي، حيث تقوم المادة بتغيير المعدن الذي تلتقطه فعلياً، وفرت مواقع ارتباط إضافية وعززت قوة القبضة الإجمالية.

كما أكدت الدراسة أن هذه المواد الجديدة قوية بما يكفي للاستخدام في العالم الحقيقي. وبينما أدت عملية الاختزال إلى خفض مقاومة المادة للحرارة العالية قليلاً، إلا أنها حسنت بشكل كبير من قدرتها على تحمل البيئات الحمضية دون أن تتفكك. وهذه سمة حيوية، حيث أن العديد من تدفقات النفايات الصناعية تكون حمضية. لاحظ الباحثون أن المادة المختزلة حافظت على هيكلها حتى عند تحريكها في حمض قوي، بينما أظهرت النسخة الأصلية المزيد من علامات التحلل. ومن خلال الجمع بين كثافة عالية من المجموعات الوظيفية مع استقرار كيميائي معزز وقدرة فريدة على تغيير المعدن الذي تلتقطه، تقدم هذه الفئة الجديدة من البوليمرات حلاً مقنعاً لتنقية المياه من النحاس. يوضح هذا العمل كيف يمكن لتغيير بسيط في البنية الكيميائية للبوليمر أن يفتح الباب أمام سعة أعلى بكثير لإزالة الملوثات، محولاً تفاعلاً كيميائياً بسيطاً إلى أداة قوية لحماية البيئة.