Ultrasound-Assisted Synthesis of MXene-Grafted Coconut Husk Activated Carbon for Enhanced Adsorption of Carbamazepine: Batch Study and Optimization

تتعرض المياه باستمرار للاختبار بسبب نوع جديد من التلوث: البقايا غير المرئية للأدوية الحديثة. ففي كل يوم، يتناول الناس حبوباً للسيطرة على حالات مثل الصرع واضطرابات المزاج، وعندما تخرج هذه الأدوية من الجسم، ينتهي بها المطاف غالباً في إمدادات المياه. إن محطات معالجة المياه التقليدية ليست مصممة لالتقاط هذه الآثار الكيميائية المحددة؛ إذ إن الجزيئات مستقرة، مما يعني أنها لا تتحلل بسهء في البيئة، ويمكن أن تتراكم في الأنهار والبحيرات، مما يشكل مخاطر على الأسماك والحياة البرية الأخرى. لطالما بحث العلماء عن وسيلة لسحب هذه الأدوية المستعصية من الماء باستخدام مواد فعالة وبأسعار معقولة. ويكمكم التحدي في العثور على مادة يمكنها الإمساك بهذه الجزيئات الدوائية الصغيرة والتمسك بها بقوة، دون أن تكلف ثروة أو تتطلب آلات معقدة للتشغيل.

في دراسة حديثة، عالج باحثون من جامعة جادافبور في الهند هذه المشكلة من خلال دمج مادتين مختلفتين تماماً في أداة واحدة قوية. فقد أخذوا قشور جوز الهند، وهي منتج ثانوي زراعي شائع، وحولوها إلى كربون منشط، وهي مادة عالية المسامية معروفة بقدرتها على حبس الشوائب. وأضافوا إلى ذلك طبقة من "المكسين" (MXene)، وهو نوع من المواد النانوية الاصطناعية المصنوعة من التيتانيوم والكربون والتي لا يتجاوز سمكها بضع ذرات. كان الهدف هو معرفة ما إذا كانت هذه المادة الهجينة يمكن أن تعمل كإسفنجة فائقة لعقار "كاربامازيبين"، وهو دواء مضاد للصرع واسع الاستخدام ويصعب إزالته من الماء بشكل ملحوست. لم يقم الفريق بمجرد خلط الاثنين؛ بل استخدموا الموجات الصوتية والحرارة لربط صفائح "المكسين" مباشرة بسطح كربون جوز الهند، مما خلق مركباً نانوياً جديداً مصمماً لزيادة مساحة السطح المتاحة لاحتجاز الدواء.

بدأ الباحثون ببناء مادتهم من الصفر. فقد جمعوا قشور جوز الهند من متجر محلي، ونظفوها، وطحنوها إلى مسحوق ناعم. ثم تم تسخين هذا المسحوق في فرن خاص بدون أكسجين لتحويله إلى فحم، والذي عولج بعد ذلك بمواد كيميائية لفتح مسامه، مما خلق الكربون المنشط. وبشكل منفصل، قاموا بتخليق صفائح "المكسين" النانوية من معدن يسمى "طور ماكس" (MAX phase). وتضمنت الخطوة النهائية خلط المكونين معاً في حمام سائل واستخدام الموجات فوق الصوتية لتفكيكهما وتوزيعهما بالتساوي، متبوعاً بعملية تسخين لدمجهما معاً. وكانت النتيجة مسحوقاً داكناً ومسامياً، حيث تم تطعيم صفائح "المكسين" فائقة الرقة على سطح كربون جوز الهند الخشن الشبيه بالإسفنج.

ولاختبار مدى فعالية هذه المادة الجديدة، وضعها الفريق في أوعية من الماء تحتوي على عقار "كاربامازيبين". وقاموا بتغيير الظروف لمعرفة ما الذي يعمل بشكل أفضل، حيث غيروا كمية المسحوق المستخدمة، ودرجة حرارة الماء، وسرعة تحريك الأوع "، وحموضة المحلول. ووجدوا أن المادة كانت فعالة بشكل ملحوظ؛ ففي أفضل الظروف، أزالت المادة المركبة تقرياً كل الدواء من الماء. وتحديداً، عندما قاموا بتحسين العملية، حققوا معدل إزالة يزيد عن 99 في المائة. كما كانت المادة قادرة على احتجاز كمية كبيرة من الدواء؛ ففي أحد الاختبارات، حجز جرام واحد من المادة أكثر من 427 مليغراماً من "كاربامازيبين". وكانت هذه السعة أعلى بكثير مما يمكن أن يحققه كربون جوز الهند وحده أو "المكسين" وحده، مما يثبت أن الجمع بينهما خلق مادة أعظم من مجموع أجزائها.

كما بحثت الدراسة في كيفية سلوك المادة تحت ظروف مختلفة. واكتشف الباحثون أن عملية الامتصاص، وهي عملية التصاق الدواء بالسطح، تعمل بشكل أفضل في درجات الحرارة المرتفلة. وهذا يشير إلى أن العملية تمتص الحرارة، مما يجعلها أكثر كفاءة في المياه الدافئة. ووجدوا أيضاً أن سرعة تحريك الماء كانت مهمة؛ فالتدبير ببطء شديد يعني أن جزيئات الدواء لا تصل إلى المادة بسرعة كافية، لكن التحريك بسرعة كبيرة يؤدي في الواقع إلى انتزاع الدواء من السطح، مما يقلل الكفاءة. وقد وُجد أن السرعة المثالية هي وتيرة متوسطة تبقي الماء متحركاً دون عنف. وعملت المادة بشكل جيد عبر نطاق واسع من مستويات الأس الهيدروجيني (pH)، مما يعني إمكانية استخدامها في مياه حمضية قليلاً أو قاعدية قليلاً، وهي ميزة عملية لمعالجة مياه الصرف الصحي في العالم الحقيقي.

ولفهم كيفية التصاق الدواء بالمادة بالضبط، فحص الفريق السطح باستخدام مجاهر قوية وأدوات تحليلية أخرى. ورأوا أن السطح كان خشناً ومليئاً بالثقوب الصغيرة، مما وفر مساحات واسعة لاستقرار جزيئات الدواء. وأظهر التحليل الكيميائي أن المادة مغطاة بمجموعات وظيفية متنوعة، مثل مجموعات الأكسجين والهيدروكسيل، التي تعمل مثل خطافات صغيرة للإمساك بجزيئات الدواء. ومن المرجح أن جزيئات الدواء التصقت من خلال مزيج من القوى: فقد انجذبت إلى هيكل الكربون عبر التفاعلات الكهربائية، وشكلت روابط هيدروجينية مع المجموعات السطحية، كما تم احتجازها فيزيائياً داخل المسام الصغيرة لكربون جوز الهند. وقد استبعدت الدراسة فكرة أن التجاذب الكهربائي البسيط هو العامل الوحيد، مشيرة إلى أن جزيء الدواء يكون متعادلاً في الغالب في الماء، لذا لعب الاحتجاز الفيزيائي والترابط الكيميائي الأدوار المهيمنة.

إن الجزء الحاسم من أي مادة جديدة لمعالجة المياه هو ما إذا كان يمكن إعادة استخدامها. وقد اختبر الباحثون ذلك عن طريق غسل المادة بمحاليل حمضية وقاعدية لإزالة الدواء المحتجز، ثم استخدامها مرة أخرى. وقد كرروا هذه الدورة سبع مرات. وبينما فقدت المادة بعضاً من فعاليتها بمرور الوقت، حيث انخفضت من إزالة تقارب 100 في المائة إلى حوالي 51 في المائة في الدورة السابعة، إلا أنها لا تزال تحتفظ بجزء كبير من قدرتها على تنقية الماء. وهذا يشير إلى أن المادة متينة بما يكفي لاستخدامها عدة مرات، وهو أمر ضروري لجعل العملية مجدية اقتصادياً. وكان الفقد الطفيف في الأداء ناتجاً على الأرجح عن التحلل التدريجي لهيكل المادة أثناء عملية الغسل الكيميائي، لكن حقيقة صمودها بحد ذاتها تعد علامة واعدة.

خلص الباحثون إلى أن هذه المادة المركبة الجديدة توفر حلاً عملياً وفعالاً لإزالة الأدوية من الماء. فمن خلال تحويل منتج فضلات مثل قشور جوز الهند إلى مادة ممتزة عالية التقنية وتعزيزها بـ "المكسين"، ابتكروا مادة تتسم بالاستدامة والفعالية العالية في آن واحد. وقد أظهرت الدراسة أن العملية تلقائية، مما يعني أنها تحدث طبيعياً دون الحاجة إلى طاقة إضافية لدفعها، وأنها تعمل جيداً في الظروف القياسية. وبينما لا تعد هذه المادة حلاً دائماً لجميع أنواع تلوث المياه، إلا أنها تمثل خطوة كبيرة للأمام في تطوير أدوات منخفضة التكلفة وذات سعة عالية لتنظيف إمدادات المياه من بقايا الأدوية الخطيرة. ويسلط هذا العمل الضوء على كيف يمكن لدمج المواد الطبيعية البسيطة مع التكنولوجيا النانوية المتقدمة أن يحل المشكلات البيئية المعقدة.