Enhanced photocatalytic degradation of Dichlorvos in aqueous solution using visible light-induced N-dopped TiO 2

تُعد المبيدات الحشرية أداة ضرورية للزراعة الحديثة، حيث تساعد في تأمين الإمدادات الغذائية من خلال حماية المحاصيل من الحشرات والأمراض. ومع ذلك، عندما تغسل هذه المواد الكيميائية في الأنهار والبحيرات، فإنها تصبح تهديداً مستمراً للحياة المائية وصحة الإنسان. أحد هذه المواد الكيميائية هو "ديكلورفوس" (dichlorvos)، وهو سم عصبي قوي يُستخدم على نطح واسع لمكافحة الآفات في المنازل والمزارع ومرافق تخزين الأغذية. ورغم فعاليته ضد الحشرات، إلا أنه يشكل خطراً أيضاً على الثدييات، حيث يمكن أن يسبب مشكلات صحية شديدة حتى عند التركيزات المنخفضة. وغالباً ما تواجه الطرق التقليدية لتنقية المياه صعوبة في التعامل مع هذا المركب؛ فبعضها يقوم ببساطة بنقل السم من الماء إلى مكان آخر دون تدميره، بينما تفشل طرق أخرى لأن البكتيريا المستخدمة لتناول هذا السم تُقتل هي نفسها بسببه. وقد سعى العلماء طويلاً لإيجاء وسيلة لتفكيك هذه الجزيئات المستعصة تماماً باستخدام الضوء، وهي عملية تحاكي كيفية استخدام النباتات لضوء الشمس لإنتاج الطاقة ولكنها تطبق ذلك على تنقية المياه.

قام فريق من الباحثين في جامعة سوات في باكستان وجامعة إنتي الدولية (INTI) في ماليزيا بتطوير نهج جديد لهذه المشكلة باستخدام مادة تسمى ثاني أكسيد التيتانيوم. في شكلها الطبيعي، تعد هذه المسحوق الأبيض ممتازاً في تفكيك الملوثات، ولكن لديها قيد كبير: فهي لا تعمل إلا عند تعرضها للأشعة فوق البنفسجية، والتي تشكل جزءاً ضئيلاً من ضوء الشمس الذي يصل إلى الأرض. ولجعل هذه المادة مفيدة تحت الضوء المرئي الذي يحيط بنا كل يوم، قام الباحثون بتغيير هيكلها الذري عن طريق إضافة النيتروجين. لقد صنعوا نسخة جديدة من المحفز، تُعرف باسم ثاني أكسد التيتانيوم المطعّم بالنيتروجين، واختبروا قدرتها على تدمير الديكلورفوس في الماء. ركزت الدراسة على إيجاد التوازن المثالي بين النيتروجين والتيتانيوم، واختبار ثلاثة خلطات مختلفة لمعرفة أي منها كان الأفضل أداءً تحت الضوء المرئي.

بدأ الباحثون بإنشاء محفزهم الجديد باستخدام طريقة تمزج المواد الكيميائية السائلة لتكوين هلام (جل)، والذي يتم تجفيفه وتسخينه لإنتاج مسحوق ناعم. وقد أعدوا ثلاث دفعات بنسب مختلفة من النيتروجين إلى التيتانيوم: جزء واحد من النيتروجين إلى عشرة أجزاء من التيتانيوم، وواحد إلى عشرين، وواحد إلى ثلاثين. ولفهم ما صنعوه، فحصوا المسحوق تحت مجاهر قوية وحللوا بنيته. ووجدوا أن إضافة النيتروجين غيرت الخصائص الفيزيائية للمادة، مما زاد من مساحة السطح المتاحة للتفاعلات وخلق بنية أكثر مسامية. وهذا أمر بالغ الأهم_ية لأن مساحة السطح الأكبر توفر المزيد من المساحة لجزيئات المبيد لتهبط وتتحلل. وأكد التحليل أن ذرات النيتروجين قد اندمجت بنجاح في الهيكل البلوري لثاني أكسيد التيتانيوم دون تدمير شكله الأساسي، الذي ظل في شكل مستقر يُعرف باسم طور الروتين (rutile phase).

وعندما اختبر الفريق مدى امتصاص هذه المواد للضوء، أظهرت النتائج تحسناً واضحاً مقارنة بالمادة الأصلية غير المطعمة. فبينما كان ثاني أكسيد التيتانيوم النقي يمتص الضوء من نطاق الأشعة فوق البنفسجية فقط، استطاعت النسخ الجديدة المطعمة بالنيتروجين امتصاص الضوء المرئي، مما وسع مداها ليشمل الطيف الذي يمكن للبشر رؤيته. ومن بين الخلطات الثلاث، أظهرت العينة ذات النسبة (جزء واحد من النيتروجين إلى عشرين جزءاً من التيتانيوم) أكثر الخصائص البصرية واعداً، حيث امتصت الضوء بفعالية وقللت من الطاقة اللازمة لتنشيط التفاعل الكيميائي. وكشفت اختبارات إضافية أن هذه الخلطة تحديداً حافظت على بقاء الجسيمات الحاملة للطاقة داخل المادة منفصلة لفترة أطول، مما منعها من إلغاء بعضها البعض قبل أن تقوم بأي عمل.

جاء الاختبار الحقيقي عندما وضع الباحثون المحفز في ماء ملوث بالديكلورفوس وعرضوه للضوء المرئي. وراقبوا سرعة اختفاء المبيد تحت ظروف مختلفة، مثل تغيير كمية المحفز، وتركيز السم، وحموضة الماء، ومدة التعرض للضوة. ووجدوا أن العملية تعمل بشكل أفضل عندما يكون الماء حمضياً قليلاً، بأس هيدروجيني (pH) يبلغ 4. كما زاد معدل التحلل مع طول فترة تسليط الضوء، ليصل إلى ذروة كفاءته بعد ساعتين من التعرض. ومع ذلك، إذا تمت إضافة الكثير من المحفز، يصبح الماء عكراً، مما يحجب الضوء عن الوصول إلى الجسيمات ويؤدي في الواقع إلى إبطاء عملية التنقية. وبالمثل، إذا كان التركيز الأولي للمبيد مرتفعاً جداً، فإن الجزيئات تتكدس على سطح المحفز، مما يمنع الضوء من تفكيكها بفعالية.

تم تحقيق النتيجة الأكثر نجاحاً باستخدام نسبة النيتروجين إلى التيتانيوم البالغة واحد إلى عشرين. وتحت الظروف المثلى، أزال هذا المحفز ما يقرب من 78 في المائة من الديكلورفوس من الماء. كما تحقق الباحثون من مدى صمود المادة بمرور الوقت عبر إعادة استخدامها في أربع دورات تنقية متتالية. وبينما انخفضت الكفاءة قليلاً مع كل استخدام، ظل المحفز قوياً وفعالاً، مما يشير إلى إمكانية استخدامه بشكل متكرر في التطبيقات الواقعية. وخلصت الدراسة إلى أن العملية اتبعت نمطاً محدداً حيث اعتمد معدل التحلل على كيفية تفاعل الجزيئات مع سطح المحفز، بدلاً من مجرد اضمحلال خطي بسيط.

يُظهر هذا العمل أنه من خلال الضبط الدقيق للتركيب الكيميائي لمادة شائعة، يمكن للعلماء إطلاق قدرتها على تنقية المياه باستخدام ضوء الشمس الوفير. لقد أثبت ثاني أكسيد التيتانيوم المطعّم بالنيتروجين أنه أداة مستقرة وفعالة لتفكيك مبيد حشري خطير، مما يوفر مساراً محتملاً نحو طرق أكثر استدامة لمعالجة المياه. وتشير النتائج إلى أن هذا النهج يمكن توسيعه للتعامل مع أحجام أكبر من المياه الملوثة، مما يوفر حلاً فعالاً من حيث التكلفة وصديقاً للبيئة لمشكلة مستمرة. ومن خلال تحويل مادة تتطلب عادةً أشعة فوق بنفسجية قاسية إلى مادة تعمل بالضوء المرئي العادي، اتخذ الباحثون خطوة مهمة نحو جعل تنقية المياه المتقدمة متاحة وعملية للاستخدام اليومي.