«مفاعل غشائي» لإزالة هورمونات المياه بأشعة الشمس

إدخال غشاء التحفيز الضوئي في المفاعل

الملوثات العضوية مثل المستحضرات الصيدلانية ومبيدات الآفات والهورمونات، حتى في التركيزات النانوية، تتسبب في تلوث مياه الشرب بطريقة تشكل مخاطر كبيرة على الإنسان والحيوان والبيئة.
وعلى وجه الخصوص، يمكن أن تسبب هورمونات الستيرويد مثل الإسترون والاستراديول والبروجسترون والتستوستيرون، أضرارًا بيولوجية للإنسان والحياة البرية، لذلك وضع الاتحاد الأوروبي حدًا أدنى صارما من معايير الجودة لمياه الشرب الآمنة، والتي يجب أيضا أخذها في الاعتبار عند تطوير تقنيات جديدة لمعالجة المياه.
يقول أندريا إيريس شيفر، رئيس معهد تكنولوجيا الأغشية المتقدمة بألمانيا في تقرير نشره الموقع الإلكتروني للمعهد يوم 21 مايو (أيار) الماضي، «التحدي الذي يواجه العلم هو تطوير طرق أكثر حساسية لاستهداف جزيئات الهورمون، وتكمن المشكلة الرئيسية في صعوبة اكتشاف هورمونات الستيرويد في الماء، وهناك جزيء هورمون واحد لكل كوينتيليون، أي (1018) جزيء ماء، وهذا تركيز منخفض للغاية».
وباستخدام تقنيات معالجة المياه التقليدية، لا تستطيع محطات معالجة مياه الصرف الصحي العثور على الملوثات الدقيقة وإزالتها، لذلك عمل الباحثون في معهد تكنولوجيا الأغشية المتقدمة ومعهد كارلسروه للتكنولوجيا بألمانيا، على طرق جديدة ليس فقط لاكتشاف وقياس الملوثات الدقيقة، لكن إزالتها، تم الإعلان عنها في دراسة نشرها الموقع الإلكتروني لدورية الحفز التطبيقي «Applied Catalysis» في 20 مايو (أيار) الماضي، وتنشرها الدورية في عدد المطبوع في أغسطس (آب) 2021.
وأثبتت عملية التحفيز الضوئي الجديدة أنها واعدة في هذا الإطار، حيث قام العلماء بتغليف غشاء بوليمر ذي مسام كبيرة متوفر تجارياً بـ(البورفيرين)، وهو جزيء حساس للضوء يحتوي على البلاديوم يمكنه امتصاص الإشعاع المرئي، ويؤدي التعرض للإشعاع بأشعة الشمس إلى بدء عملية كيميائية تنتج ما يسمى بالأكسجين المفرد، وهو نوع من الأكسجين شديد التفاعل، ويهاجم الأكسجين المفرد على وجه التحديد جزيئات الهورمون ويحولها إلى منتجات أكسدة آمنة.
ويوضح رومان ليوبيمينكو، العالم في معهد تكنولوجيا الأغشية المتقدمة بألمانيا: «من الأهمية بمكان أن نغطي سطح كل مسام بجزيء المحسس الضوئي، مما يزيد من مساحة سطح الهجوم». ويمكن تحقيق التحلل الكيميائي لهورمونات الستيرويد وترشيح الملوثات الدقيقة الأخرى في المفاعل الغشائي الذي أعده الباحثون، وبهذه العملية، يمكن تصفية 60 إلى 600 لتر من الماء لكل متر مربع من الغشاء في ساعة واحدة.
وتمكن العلماء من تقليل تركيز هورمون الاستراديول، وهو هورمون الستيرويد الأكثر نشاطًا بيولوجيًا، بنسبة 98 في المائة من 100 إلى 2 نانوغرام لكل لتر، وهذا يعني الاقتراب من القيمة المستهدفة للاتحاد الأوروبي وهي نانوغرام واحد لكل لتر، كما يؤكد شيفر.
الهدف التالي لفريق البحث هو زيادة تحسين عملية التحفيز الضوئي ونقلها إلى نطاق أوسع، والتحدي المهم هي معرفة مقدار شدة الضوء ومقدار البورفيرين المطلوب وما إذا كان يمكن استبدال البلاديوم المكلف من مجموعة البلاتين من المعادن بمعادن أخرى.