طوّر مهندسو جامعة نورث وسترن الأميركية، إسفنجاً جديداً يمكنه إزالة المعادن، بما في ذلك المعادن الثقيلة السامة، مثل الرصاص والمعادن المهمة مثل الكوبالت، من المياه الملوثة، لتحويلها مياهاً صالحة للشرب.
إسفنج مطور
وفي تجارب إثبات المفهوم التي تمت خلال الدراسة المنشورة في العدد الأخير من دورية «إنفيرومنتال ساينس آند تكنولوجي ووتر ACS ES&T Water»، اختبر الباحثون إسفنجهم الجديد على عينة شديدة التلوث من ماء الصنبور، تحتوي على أكثر من جزء لكل مليون من الرصاص، وباستخدام واحد، نجح الإسفنج المفلتر في إزالة المعادن لأقل من المستويات التي يمكن اكتشافها.
بعد استخدام الإسفنج، تمكّن الباحثون أيضاً من استعادة المعادن بنجاح وإعادة استخدام الإسفنج لدورات متعددة؛ وهو ما يؤكد إمكانية الاستخدام المستقبلي للإسفنج الجديد، كأداة غير مكلفة وسهلة الاستخدام في فلاتر المياه المنزلية أو جهود المعالجة البيئية واسعة النطاق.
يقول فيناياك درافيد، أستاذ هندسة المواد بجامعة نورث وسترن، والباحث الرئيسي بالدراسة، في تقرير نشره الموقع الإلكتروني للجامعة في 11 مايو (أيار) الماضي: «وجود المعادن الثقيلة في إمدادات المياه يمثل تحدياً هائلاً للصحة العامة؛ وهو ما يتطلب حلولاً يمكن نشرها بسهولة وفاعلية وبتكلفة زهيدة، وهنا يأتي دور الإسفنج، حيث يمكنه إزالة التلوث، ثم استخدام الإسفنج مراراً وتكراراً».
يعتمد هذا الابتكار على عمل درافيد السابق لتطوير إسفنج مسامي للغاية لجوانب مختلفة من العلاج البيئي، وفي مايو 2020، كشف فريقه النقاب عن إسفنجة جديدة مصممة لتنظيف الانسكابات النفطية.
والإسفنج المطلي بالجسيمات النانوية، الذي يتم تسويقه الآن بواسطة إحدى الشركات التابعة لجامعة نورث وسترن، يوفر بديلاً أكثر كفاءة واقتصادياً وصديقاً للبيئة وقابلاً لإعادة الاستخدام، من الخيارات المتاحة حالياً للتعامل مع مشكلة الانسكابات النفطية. لكن درافيد كان يعلم أن ذلك لا يكفي، يقول: «عندما يكون هناك تسرب للنفط، يمكنك إزالة الزيت، لكن هناك أيضاً معادن ثقيلة سامة، مثل الزئبق والكادميوم والكبريت والرصاص، ناتجة من تلك الانسكابات النفطية، لذلك؛ حتى عند إزالة الزيت، قد تبقى بعض السموم الأخرى».
ماء صحي
ولمعالجة هذا الجانب من المشكلة، لجأ فريق درافيد، مرة أخرى، إلى الإسفنج المغطى بطبقة رقيقة للغاية من الجسيمات النانوية، وبعد اختبار العديد من الأنواع المختلفة من الجسيمات النانوية، وجد الفريق البحثي أن طلاء «الجيوثايت» المشبع بالمنغنيز يعمل بشكل أفضل، ولا يقتصر الأمر على أن جسيمات الجيوثايت النانوية المطعمة بالمنغنيز غير مكلفة، ومتاحة بسهولة وغير سامة للإنسان، بل إنها تتمتع أيضاً بالخصائص اللازمة لالتقاط المعادن الثقيلة بشكل انتقائي.
يقول بنجامين شيندل، الباحث المشارك بالدراسة «أنت تريد مادة ذات مساحة سطح عالية؛ لذلك هناك مساحة أكبر لتلتصق بها أيونات الرصاص، وتحتوي هذه الجسيمات النانوية على مساحات عالية السطح ومواقع سطحية تفاعلية وفيرة للامتصاص وهي مستقرة؛ لذا يمكن إعادة استخدامها مرات عدة».
وعند غمرها في الماء الملوث، يقوم الإسفنج المغلف بالجسيمات النانوية باحتجاز أيونات الرصاص بشكل فعال، لتحقيق مستوى من التنقية يفوق ما تطلبه إدارة الغذاء والدواء الأميركية.
وتطلب إدارة الغذاء والدواء، أن تكون مياه الشرب المعبأة أقل من 5 أجزاء لكل مليار من الرصاص، وفي تجارب الترشيح، خفضت الإسفنج كمية الرصاص إلى ما يقرب من جزأين في المليار؛ مما يجعلها آمنة للشرب.
يقول شيندل «نحن سعداء حقاً بذلك، بالطبع، يمكن أن يختلف هذا الأداء بناءً على عوامل عدة، فعلى سبيل المثال، إذا كان لديك إسفنجة كبيرة في حجم صغير من الماء، فستكون أفضل من الإسفنج الصغير في بحيرة ضخمة».
استعادة المعادن
وبالإضافة إلى قيام الإسفنج الجديد بالتقاط المعادن، وجد الباحثون أنه عند القيام بشطفه باستخدام ماء محمض قليلاً، يشبه «حموضة عصير الليمون»، يمكن وقتها أن يتسبب المحلول الحمضي في قيام الإسفنج بإطلاق أيونات الرصاص والاستعداد لاستخدام آخر، ورغم انخفاض أداء الإسفنج بعد الاستخدام الأول، فإنه لا يزال يستعيد أكثر من 90 في المائة من الأيونات خلال دورات الاستخدام اللاحقة.
يقول شيندل «تعد هذه القدرة على جمع المعادن الثقيلة ثم استعادتها ذات قيمة خاصة لإزالة المعادن النادرة والحرجة، مثل الكوبالت، من مصادر المياه، حيث يعد الكوبالت مكوناً شائعاً في بطاريات الليثيوم أيون، وهو مكلف من حيث الطاقة في التعدين، وبالتالي فإن التمكن من تطوير إسفنجة تزيل المعادن النادرة بشكل انتقائي، بما في ذلك الكوبالت، من الماء، يساعد على إعادة تدوير تلك المعادن إلى منتجات مثل البطاريات.
