Adsorption and photo-Fenton catalytic degradation of Orange II dye over cobalt ferrite nanoparticles and almond shell biochar

تتعرض مياه العالم لضغط مستمر من النفايات الصناعية، وقليل من الملوثات تضاهي الأصباغ الاصطناعية في عنادها. فهذه المركبات، المستخدمة لتلوين كل شيء من المنسوجات إلى الأغذية، صُممت هندسياً لمقاومة البهتان والغسل والتحلل الكيميائي. وهذه المتانة ذاتها تجعل منها كابوساً لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي، حيث تفشل الطرق البيولوجية القياسية غالباً في تفكيكها. وعندما تدخل هذه الأصباغ إلى الأنهار، فإنها تحجب ضوء الشمس عن الحياة المائية ويمكن أن تطلق حتى نواتج ثانوية سامة. ولحل هذه المعضلة، توجه العلماء إلى عمليات الأكسدة المتقدمة، وهي عائلة من التقنيات التي تولد جزيئات شديدة التفاعل وقصيرة العمر تسمى جذور الهيدروكسيل. تخيل هذه الجذور كمنظفات مجهرية لا تفرق بين شيء وآخر، تهاجم وتفتت الجزيئات العضوية المعقدة إلى ثاني أكسيد الكربون وماء غير ضارين. ومن بين أكثر الطرق فعالية لإنتاج هذه الجذور هي عملية "فنتون الضوئية" (photo-Fenton)، التي تستخدم الضوء لتسريع التفاعل بين بيروكسيد الهيدروجين والحديد. ومع ذلك، تواجه النسخ التقليدية من هذه العملية عقبة كبيرة: وهي أن حفاز الحديد يذوب في الماء، مما يجعل من الصعب إزالته بعد انتهاء المهمة، وقد يترك خلفه تلوثاً معدنياً.

لقد سعى باحثون في جامعة بوينس آيرس للتغلب على هذه القيود من خلال ابتكار نوع جديد من الحفازات التي تتميز بالقوة وسهولة الاسترجاع في آن واحد. فقد ركزوا على مادة محددة تسمى "فيريت الكوبالت"، وهي جسيمات نانوية مغناطيسية يمكنها تحفيز تفاعل "فنتون الضوئي". ولمنع هذه الجسيمات الدقيقة من التكتل وفقدان فعاليتها، قام الفريق بتثبيتها على دعامة مسامية غنية بالكربون مصنوعة من قشور اللوز. هذه الدعامة، المعروفة باسم "البيوتشار" (biochar)، تُنتج عن طريق تسخين النفايات العضوية في غياب الأكسجين. وقد قام العلماء بتخليق ثلاث نسخ مختلفة من موادهم للمقارنة بينها: جسيمات نانوية مغناطيسية نقية، ومزيج ميكانيكي من الجسيمات النانوية والبيوتشار، ومركب كيميائي حيث نمت الجسيمات النانوية مباشرة على البيوتشار. وكان هدفهم هو معرفة أي تكوين يمكنه إزالة صبغة "أورانج 2" (Orange II) -وهي صبغة "آزو" برتقالية اللون شائعة- من الماء بأكبر كفاءة ممكنة باستخدام ضوء الشمس.

بدأ الفريق بتوصيف موادهم لفهم بنيتها الفيزيائية. ووجدوا أن الجسيمات النانوية المغناطيسية النقية تشكل عناقيد كروية صغيرة، بينما بدا البيوتشار نفسه كصفائح ليفية طبقية. وعندما نُميت الجسيمات النانوية مباشرة على البيوتشار، لم تكتفِ بالجلوس على السطح فحسب، بل انغرست في طيات وثنايا المادة الكربونية. كان هذا التكامل أمراً حاسماً؛ فبينما كانت الجسيمات النانوية النقية ذات مغناطيسية قوية، أظهر المادة المركبة إشارة مغناطيسية أضعف بكثير لأن البيوتشار الثقيل وغير المغناطيسي قد خفف من قوة المغناطيسية الإجمالية. ورغم هذا الانخفاض، ظل المركب مغناطيسياً بما يكفي لسحبه من الماء باستخدام مغناطيس خارجي بسيط، مما يحل مشكلة الاسترجاع التي تعاني منها الحفازات الذائبة.

ومع تجهيز المواد، اختبر الباحثون مدى قدرتها على إزالة الصبغة. أولاً، بحثوا في مدى سرعة قدرة المواد على "الامتزاز" (adsorption)، أو الإمساك بجزيئات الصبغة قبل تطبيق أي ضوء. ووجدوا أن النظام وصل إلى حالة من التوازن، حيث لم تعد المزيد من الصبغة تُمتص، في غض_ن 50 دقيقة تقريباً. وبمجرد تحديد هذا الخط المرجعي، انتقلوا إلى الحدث الرئيسي: تفكك "فنتون الضوئي". وباستخدام مصباح لمحاكاة ضوء الشمس، قاموا بتعديل ظروف مختلفة لإيجاد النقطة المثالية للتفاعل. واكتشفوا أن العملية تعمل بشكل أفضل في المياه الحمضية، وتحديداً عند درجة حموضة (pH) تبلغ 3. كما وجدوا أن إضافة الكثير من بيروكسيد الهيدروجين تعيق التفاعل في الواقع، حيث يبدأ البيروكسيد الزائد في استهلاك الجذور اللازمة لتفكيك الصبغة. وكانت الكمية المثلى هي 600 جزء في المليون من البيروكسيد و75 مليجرام لكل لتر من الحفاز.

تحت هذه الظروف المثالية، اتضحت الفروقات بين المواد الثلاث. فقد قدم المزيج الميكانيكي من الجسيمات النانوية والبيوتشار أداءً جيداً، لكن الجسيمات النانوية النقية عانت من صعوبة في الحفاظ على كفاءة عالية بمرور الوقت. أما المادة المتفوقة فكانت المادة المركبة، حيث تم تخليق فيريت الكوبالت مباشرة على بيوتشار قشور اللوز. لقد دمر هذا النظام أكثر من 97 بالمائة من صبغة "أورانج 2" في وقت أقصر بكثير من النسخ الأخرى. ويعزو الباحثون هذا النجاح إلى الطريقة الفريدة التي تدعم بها مادة البيوتشار الجسيمات النانوية؛ إذ تمنع البنية المسامية الجسيمات المغناطيسية من التكتل، مما يحافظ على تعرض أسطحها النشطة. علاوة على ذلك، يعمل البيوتشار كإسفنجة، حيث يركز جزيئات الصبغة بجوار مواقع الحفاز مباشرة، كما يساعد في إدارة تدفق الشحنات الكهربائية داخل المادة، مما يمنع فقدان الطاقة.

ولعل النتيجة الأكثر عملية هي أن هذا الأداء العالي لم يعتمد على أضواء اصطناعية باهظة الثمن. فعندما استبدل الفريق المصباح المختبري بضوء الشمس الطبيعي، حافظت المادة المركبة على كفاءتها، حيث أزالت أكثر من 95 بالمائة من الصبغة في نفس الفترة الزمنية. وهذا يشير إلى إمكانية توسيع نطاق هذه العملية للاستخدام الصناعي دون التكاليف الطاقية العالية المرتبطة بمصادر الأشعة فوق البنفسجية الاصطناعية. وأخيراً، اختبر الفريق متانة الحفاز الجديد؛ فبعد استخدام المادة لمعالجة محلول الصبغة خمس مرات متتالية، مع غسلها بين كل دورة، لا تزال المادة تحتفظ بأكثر من 94 بالمائة من فعاليتها الأصلية. إن هذا المستوى العالي من قابلية إعادة الاستخدام، مقترناً باستخدام النفايات الزراعية والطاقة الشمسية، يشير إلى مسار مستدام لتنظيف مياه الصرف الصناعي، وتحويل منتج شائع من نفايات الطعام إلى أداة قوية لحماية البيئة.