Surface and pore co-functionalized ceramic membrane with Zr doped Co3O4 for SMX degradation through coupling peroxymonosulfate activation

تواجه محطات معالجة المياه حول العالم مشكلة مستعصية: فهي جيدة في إزالة الأوساخ والبكتيريا، لكنها غالبًا ما تفشل في منع مرور بعض الأدوية. أحد هذه الأدوية هو السلفاميثوكسازول، وهو مضاد حيوي شائع يوجد في الأنهار والبحيرات. ولأن هذا العقار مصمم لقتل البكتيريا، فإنه يقاوم عمليات التحلل الطبيعية التي تنظف مياهنا عادةً. وعندما يبقى عالقًا في البيئة، يمكن أن يضر بالحياة المائية وينتقل في النهاية إلى السلسلة الغذائية. لطالما عرف العلماء أن التفاعلات الكيميائية القوية، التي تسمى الأكسدة المتقدمة، يمكنها تفكيك هذه الجزيئات الصعبة. ومع ذلك، فإن الأدوات المستخدمة لتحفيز هذه التفاعلات بها عيب رئيسي. تقليديًا، يستخدم الباحثون مساحيق دقيقة من المحفزات المعدنية — وهي حبيبات متناهية الصغر تعمل مثل شمعات الاحتراق لبدء الحريق الكيميائي. وبينما تكون هذه المساحيق فعالة في وعاء مخبري، إلا أنها تتكتل معًا، مما يجعل استخدامها صعبًا، ومن شبه المستحيل فصلها عن الماء بمجرد انتهاء المهمة، مما يترك وراءه غالبًا فوضى من الجسيمات المعدنية.

لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة شنيانغ للتكنولوجيا طريقة لحل هذه المشكلة عن طريق تغيير شكل الأداة نفسها. فبدلاً من استخدام المسحوق السائب، قاموا ببناء نوع جديد من المرشحات (الفلاتر) التي تثبت المحفز في مكانه. لقد أخذوا غشاءً سيراميكيًا، وهو مادة صلبة مسامية تشبه الإسفنج الناعم جدًا، وقاموا بطلاؤه بمزيج خاص من أكاسيد الكوبالت والزركونيوم. والأهم من ذلك، أنهم لم يكتفوا بطلاء الجزء الخارجي من الإسفنج فح، بل دفعوا المحفز بعمق داخل الأنفاق الصغيرة التي تمر عبر المادة. أدى هذا إلى إنشاء نظام ثنائي الطبقات حيث يحدث التفاعل الكيميائي على السطح وفي أعماق مسام المرشح أيضًا. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان هذا التصميم يمكنه تفكيك المضاد الحيوي "سلفاميثوكسازول" بكفاءة أكبر من طريقة المسحوق القديمة، مع الحفاظ على المحفز محبوسًا بأمان داخل المرشح.

بدأ الباحثون بإنشاء مرشحهم الجديد، الذي أطلقوا عليه اسم الغشاء السيراميكي متعدد الوظائف. قاموا بنقع قرص سيراميك من أكسيد الألومنيوم القياسي في سائل يحتوي على المكونات المعدنية، مستخدمين الموجات الصوتية لدفع السائل بعمق داخل الثقوب الصغيرة للإسفنج. وبعد تجفيف القرص وتسخينه، تحولت المعادن إلى محفز صلب ملتصق بالهيكل السيراميكي. وعندما اختبروا هذا المرشح الجديد، كانت النتائج مذهلة. ففي إعداد قياسي حيث يتدفق الماء عبر الغشاء، أزال المرشح تقريبًا كل المضاد الحيوي من الماء في تمريرة واحدة. كانت سرعة عملية التنظيف هذه مذهلة للغاية؛ إذ حدث التفاعل الكيميائي داخل الغشاء أسرع بتسعين مرة مما لو استُخدمت نفس كمية المحفز كمسحوق سائب في خزان. يشير هذا القفزة الهائلة في السرعة إلى أن المساحة المحصورة داخل مسام الغشاء تعمل مثل غرفة عالية الضغط، مما يجبر الملوثات والمواد الكيميائية المنظفة على التصادم بشكل أكثر تكرارًا والتفاعل بقوة أكبر.

لفهم سبب نجاح هذا التصميم الجديد بهذا الشكل، نظر الفريق بدقة إلى ما كان يحدث داخل المرشح. واكتشفوا أن المحفز لم يكن يجلس على السطح فحسب، بل كان مرتبطًا كيميائيًا بالمادة السيراميكية، مما منع المعدن من الانجراف بعيدًا. وهذا الاستقرار أمر حيوي لأنه يعني أن المرشح يمكن استخدامه لفترة طويلة دون تسريب معادن ضارة إلى الماء. وفي اختبار مستمر استمر لمدة سبع عشرة ساعة، حافظ المرشح على أدائه العالي، حيث أزال أكثر من سبعة وثمانين بالمائة من المضاد الحيوي طوال الوقت. كما تحقق الباحثون مما إذا كان المرشح سيتعامل جيدًا مع المياه الواقعية، والتي تحتوي غالبًا على مواد كيميائية أخرى مثل الأملاح أو المواد العضوية. ووجدوا أن المرشح يعمل بشكل جيد عبر نطاق واسع من مستويات حموضة المياه، ولم يتأثر بسهء بوجود مواد شائعة موجودة في مياه الصرف الصحي. وفي الواقع، ساعد وجود بعض الأملاح العملية قليلاً، بينما كان لبعضها الآخر تأثير تبطيء طفيف فقط.

كما تتبع البحث بدقة كيفية تدمير المضاد الحيوي. ومن خلال تحليل الماء بعد مروره عبر المرشح، حدد العلماء القطع المفككة من العقار. ووجدوا أن التفاعل أنتج عدة مركبات وسيطة مختلفة قبل تحويل المضاد الحيوي في النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون والماء غير الضارين. والقوة الرئيسية وراء هذا التدمير هي نوع محدد من أنواع الأكسجين التفاعلية، وهي جزيئات عالية الطاقة تهاجم الروابط الكيميائية للعقار. وقد أكد الباحثون ذلك باستخدام اختبارات خاصة حاصرت هذه الجزيئات العابرة، مما أثبت أن الغشاء نجح في توليد النوع الصحيح من الطاقة الكيميائية لتفكيك المضاد الحيوي. كما تحققوا من سمية القطع المفككة ووجدوا أن المنتجات الوسيطة كانت أقل خطورة من العقار الأصلي، مما يشير إلى أن العملية تجعل المياه أكثر أمانًا بدلًا من مجرد تغيير شكل التلوث.

يوضح هذا العمل أن الطريقة التي نصمم بها مرشحات المياه يمكن أن تكون بنفس أهمية المواد الكيميائية التي نستخدمها بداخلها. فمن خلال نقل المحفز من مسحوق سائب إلى هيكل مسامي ثابت، ابتكر الباحثون نظامًا أسرع وأكثر استقرارًا وأسهل في الاستخدام من الطرق السابقة. إن هذا الغشاء لا يقوم فقط بتصفية الأوساخ، بل يدمر بفعالية التهديدات غير المرئية المختبئة في الماء. ورغم أن هذا المرشح المحدد تم اختباره على نوع واحد من المضادات الحيوية، إلا أن الفريق أظهر أنه يمكنه أيضًا تفكيك ملوثات صعبة أخرى، مثل بعض الأصباغ والمواد الكيميائية الصناعية. وتشير النتائج إلى مسار عملي للمضي قدمًا في تنقية مياه الصرف الصحي، مما يوفر طريقة لإزالة الأدوال المستعصية دون عناء فصل المساحيق أو القلق بشأن التلوث المعدني. يوفر هذا البحث مخططًا واضحًا لبناء مرشحات ليست قوية بما يكفي لتحمل ضغط تدفق المياه فحسب، بل ذكية أيضًا لتحفيز التفاعلات الكيميائية اللازمة للحفاظ على نظافة إمدادات المياه لدينا.