تُعد معالجة المياه الملوثة بالأصباغ الصناعية من أبرز التحديات البيئية في عصرنا الحالي. وفي هذا السياق، برزت تقنية هيدروجيل Fe₃O₄/بولي(حمض الأكريليك) كحل واعد يحقق كفاءة عالية في إزالة صبغة أزرق الميثيلين بسعة امتصاص تبلغ 571 ملليغرام لكل غرام، مع الحفاظ على فعاليتها لأكثر من 95% عبر عشر دورات متتالية من الاستخدام.
الهيدروجيل 🧽 شبكة بوليمرية ثلاثية الأبعاد قادرة على امتصاص كميات كبيرة من المياه مع الاحتفاظ بسلامتها البنيوية.
حمض بولي أكريليك [بولي(AA)] 🧪 نوع من البوليمر به الكثير من مجموعات الكربوكسيل (–COOH). هذه المجموعات يمكنها الإمساك بالجزيئات الموجبة الشحنة، مما يجعلها مثالية لتنظيف الأصباغ من المياه.
Fe₃O₄ (المغنيتيت) ⚫ جسيم أكسيد الحديد النانوي بخصائص مغناطيسية وكيميائية. في الهيدروجيلات، يضيف مواقع ربط إضافية وأحياناً يسهل الفصل.
أزرق الميثيلين (MB) 🔵 صبغة اصطناعية تستخدم على نطاق واسع في النسيج والطب. مفيدة لكنها سامة في المياه.
البنفسجي البلوري (CV) 🟣 صبغة اصطناعية أخرى، تستخدم غالباً في المختبرات البيولوجية والصناعة. مثل أزرق الميثيلين، ضارة إذا تسربت إلى الأنهار والبحيرات.
الامتصاص 🧲 عندما تلتصق الجزيئات على سطح مادة أخرى (مثل كيف يلتصق الغبار بالشريط اللاصق). هنا، جزيئات أزرق الميثيلين تلتصق بالهيدروجيل.
الرقم الهيدروجيني (pH) ⚖️ مقياس (0-14) يخبرنا مدى المحلول حمضي أو قاعدي. الهيدروجيل يعمل بشكل أفضل حول الرقم الهيدروجيني المتعادل (~6.8).
سعة الامتصاص (ملغ/غ) 📊 مقياس لكمية كتلة الملوث (مثل أزرق الميثيلين) التي يمكن للمادة أن تحبسها لكل وحدة من كتلة المادة الماصة، وتُقاس بوحدة ملليغرام لكل غرام. أرقام أعلى = قوة تنظيف أقوى.
قابلية إعادة الاستخدام ♻️ قدرة الهيدروجيل على الاستخدام مراراً وتكراراً دون فقدان الكثير من الكفاءة—مهم جداً لمعالجة مياه الصرف.
الامتصاص الفيزيائي 🌬️ نوع من الامتصاص حيث تُمسك الجزيئات بقوى ضعيفة (مثل الكهرباء الساكنة أو الروابط الهيدروجينية)، وليس روابط كيميائية قوية. قابل للانعكاس، لذا يمكن إعادة استخدام الهيدروجيل.
نقطة الشحنة الصفرية ⚡ القيمة الحمضية التي يكون عندها السطح متعادل الشحنة كهربائياً.
التراكم الحيوي ☠️ تراكم المواد الكيميائية في أنسجة الكائنات الحية بتراكيز أعلى من تلك الموجودة في البيئة المحيطة.
تشهد الصناعات الحديثة، وخاصة صناعات النسيج والورق والجلود، استخداماً مكثفاً للأصباغ الكيميائية التي تضفي الألوان الزاهية على المنتجات. غير أن هذا التقدم الصناعي يأتي بثمن بيئي باهظ، إذ تشير الإحصائيات إلى أن نسبة تتراوح بين 10% و15% من إجمالي الأصباغ المستخدمة لا تثبت على المواد المصنعة، بل تنتهي في مجاري المياه العادمة.
تحتل صبغة أزرق الميثيلين والبنفسجي البلوري مكانة خاصة في قائمة الملوثات الخطيرة نظراً لخصائصها المدمرة:
لذا، بات من الضروري إيجاد حلول فعالة ومستدامة لمواجهة هذا التحدي البيئي المتنامي.
يتألف الهيدروجيل المطور من مكونين رئيسيين يعملان في تناغم مثالي:
تتم عملية تصنيع الهيدروجيل عبر مرحلتين دقيقتين:
المرحلة الأولى - البلمرة: تُربط وحدات حمض الأكريليك الأحادية ببعضها البعض لتكوين شبكة بوليمرية ثلاثية الأبعاد.
المرحلة الثانية - الترسيب الموضعي: تُحقن أيونات الحديد الثنائية والثلاثية داخل البنية البوليمرية وتُحول إلى جسيمات Fe₃O₄ النانوية.
النتيجة النهائية مادة مرنة تستجيب لتغيرات الأس الهيدروجيني وتحتوي على كثافة عالية من المواقع النشطة للامتصاص.
خضع الهيدروجيل المطور لبطارية شاملة من التحاليل المتخصصة:
تم فحص استجابة الهيدروجيل لتغيرات الأس الهيدروجيني، حيث أظهرت النتائج أن:
حقق الهيدروجيل المطور نتائج مبهرة في اختبارات إزالة صبغة أزرق الميثيلين:
أظهر التحليل الإحصائي للبيانات أن عملية الامتصاص تتبع:
هذه المؤشرات تؤكد أن العملية تحدث تلقائياً دون الحاجة لطاقة خارجية، وأن التفاعل طارد للحرارة، مما يضمن استقرار النظام.
تستند فعالية الهيدروجيل إلى تضافر آليات متعددة:
التأثير التراكمي: يشبه هذا التفاعل المتعدد آلية عمل الشريط اللاصق متعدد الطبقات، حيث تعمل قوى متنوعة معاً لضمان إمساك محكم ودائم بالملوثات.
تُعد قابلية إعادة الاستخدام من أبرز مزايا هذه التقنية:
هذه الخصائص تجعل التقنية اقتصادية التكلفة وصديقة للبيئة، مما يفتح المجال أمام تطبيقها في محطات المعالجة الصناعية.
عند مقارنة هذا الهيدروجيل بالتقنيات المماثلة المنشورة في الأدبيات العلمية:
يمثل هيدروجيل Fe₃O₄/بولي(حمض الأكريليك) نقلة نوعية في مجال معالجة المياه الملوثة بالأصباغ الصناعية. فبفضل:
✅ الكفاءة الفائقة: سعة امتصاص عالية تبلغ 571 ملغ/غ
✅ الاستدامة البيئية: قابلية إعادة استخدام متفوقة لأكثر من عشر دورات
✅ الجدوى الاقتصادية: مواد أولية منخفضة التكلفة وعمليات تصنيع بسيطة
✅ الملاءمة التشغيلية: سهولة في التعامل والتطبيق الصناعي
تفتح هذه التقنية آفاقاً رحبة أمام صناعات النسيج والورق والجلود لمعالجة مياهها العادمة بطريقة فعالة ومستدامة.
إن التلوث بالأصباغ الصناعية مشكلة ملونة ومعقدة، لكن مع ابتكارات مثل هذا الهيدروجيل الذكي، يلوح في الأفق مستقبل أكثر إشراقاً ونقاءً لمواردنا المائية الثمينة 💧✨.
المصدر:
Ccoyo Ore, F.; López, F.d.L.M.; Valderrama Negrón, A.C.; Ludeña Huaman, M.A. Fe3O4/Poly(acrylic acid) Composite Hydrogel for the Removal of Methylene Blue and Crystal Violet from Aqueous Media. Chemistry 2025, 7, 156. https://doi.org/10.3390/chemistry7050156
من:
National University of San Antonio Abad del Cusco (UNSAAC); National University of Engineering (Peru).
