في سعيها لمكافحة التلوث البيئي، ولا سيما التلوث المستمر للمياه بالمواد الكيميائية الخطرة، طور فريق من الباحثين في اليابان نهجًا رائدًا. فمن خلال تسخير اللجنين والجلوكوز، وهما مادتان غنيتان بالكربون، ابتكروا موادًا مصممة لإزالة المواد الكيميائية الضارة "الدائمة" - مواد البيرفلورو ألكيل والبولي فلورو ألكيل (PFAS) - من الماء.
PFAS هي مجموعة واسعة من المواد الكيميائية الاصطناعية الموجودة في عدد لا يُحصى من المنتجات اليومية، بدءًا من أواني الطهي غير اللاصقة والأقمشة المقاومة للماء وصولًا إلى رغاوي مكافحة الحرائق وأشباه الموصلات. قدرتها الفريدة على مقاومة الحرارة والماء والزيت، بفضل روابطها الكيميائية القوية، تجعلها مفيدة للغاية. إلا أن هذه المتانة تُعدّ أيضًا أحد عيوبها. لا تتحلل PFAS بسهولة في البيئة، مما أكسبها لقب "المواد الكيميائية الدائمة". ونتيجة لذلك، تتراكم هذه المواد في التربة والماء، وحتى في أجسام البشر، مُشكلةً مخاطر جسيمة على صحة الإنسان والبيئة.
نظرًا لثباتها، حُظرت مركبات PFAS في العديد من الدول بموجب الاتفاقيات البيئية الدولية. ومع ذلك، لا يزال التلوث واسع الانتشار، حيث كشفت دراسات حديثة عن وجودها في التربة والأنهار والمياه الجوفية. وقد أبرز هذا الحاجة الملحة إلى أساليب فعالة لإزالة هذه المواد الكيميائية من المياه. وللأسف، لا توجد حاليًا تقنيات مستدامة وفعالة لمعالجة هذه المشكلة.
استجابةً لهذا التحدي، طوّر فريق بحثي من معهد طوكيو للعلوم، بقيادة الأستاذ المشارك توشيهيرو إيزوبي من قسم علوم المواد، والأستاذ مانابو فوجي من قسم الهندسة المدنية والبيئية، حلاً واعدًا. يعتمد نهجهم المبتكر على مواد كربونية لإزالة PFAS بكفاءة من الماء. يتضمن عمل الفريق تطورين رئيسيين: مادة ماصة جديدة تحبس PFAS على سطحها، ونظام تقطير غشائي لتنقية المياه الملوثة.
باستخدام اللجنين - وهو منتج ثانوي لصناعة اللب والورق - والجلوكوز، وهو سكر بسيط، كمصدرين للكربون، ابتكر الباحثون مواد مستدامة قادرة على إزالة PFAS بفعالية من الماء. تجمع طريقة التكرير الغشائي التي طوروها بين التقطير والفصل الغشائي، مما يوفر استراتيجية جديدة وفعالة لتنقية المياه الملوثة بهذه المواد الكيميائية الضارة.
أوضح البروفيسور إيزوبي: "هذا البحث مثير للاهتمام لأنه يستغل مصادر الكربون الوفيرة والمستدامة، مثل اللجنين والجلوكوز، لمعالجة مشكلة بيئية حرجة". وأضاف: "بدمج طريقة التقطير الغشائي، نطور نهجًا مبتكرًا لتنقية المياه، قد يكون حاسمًا لمستقبل تقنيات إزالة PFAS".
تم عرض البحث الرائد للفريق مؤخرًا في الندوة الدولية الثالثة والعشرين حول معالجة وتصميم المواد الصديقة للبيئة، مما يسلط الضوء على إمكانات هذه المواد الجديدة للمساهمة في الجهد العالمي نحو مياه أنظف وبيئة أكثر صحة.
ولا يمكن لهذا النهج المبتكر أن يساعد في القضاء على المواد الكيميائية الخطرة من المياه فحسب، بل يمهد الطريق أيضًا لتقنيات تنقية أكثر استدامة في المستقبل، ودعم الهدف السادس من أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة - المياه النظيفة والصرف الصحي للجميع.
طرق مبتكرة لتنقية المياه الملوثة بـ PFAS باستخدام مواد قائمة على الكربون
يعتمد النهج المبتكر الذي اتبعه فريق البحث لإزالة PFAS على فرقٍ أساسي بين الماء وPFAS، ألا وهو اختلاف درجات غليانهما. باستخدام طريقة التقطير الغشائي (MD)، تمكن الفريق من تنقية المياه الملوثة بـ PFAS. وتستفيد هذه العملية من انخفاض درجة غليان الماء مقارنةً بـ PFAS، مما يسمح ببقاء PFAS في الماء مع مرور بخار الماء فقط.
استخدم العلماء غشاء فصل كربوني مسامي كاره للماء في نظام الترشيح الجزيئي، والذي حجب بفعالية PFAS مع السماح لبخار الماء بالتسرب. يضمن هذا الترشيح الانتقائي الاحتفاظ بالمواد الكيميائية الضارة، مثل حمض البيرفلوروكتان سلفونيك (PFOS)، في النظام. أظهرت نتائج تجاربهم انخفاضًا ملحوظًا في تركيزات PFOS، حيث انخفض تركيز PFOS في المياه المحاكية بتركيز حوالي 500 نانوغرام/لتر إلى 3 نانوغرام/لتر فقط، وهو مستوى أقل بكثير من معايير السلامة البيئية العالمية.
إلى جانب طريقة التحليل الطيفي الجزيئي، استكشف الفريق أيضًا نهجًا آخر لمعالجة تلوث PFAS، وذلك باستخدام مواد ماصة مشتقة من اللجنين. ومن خلال سلسلة من التجارب، وجدوا أن كميات صغيرة من الكربون المنشط، المعالجة بكلوريد الزنك بنسبة 1:3، يمكنها إزالة ما يصل إلى 99% من PFAS بفعالية في غضون 10 دقائق فقط. وتشير هذه النتيجة إلى أن هذه المواد الماصة يمكن أن تكون أدوات عالية الكفاءة لإزالة PFAS، مما يوفر حلاً مستدامًا وسريعًا.
بشكل عام، يُظهر عمل الفريق إمكانات المواد الكربونية في مواجهة التحدي البيئي المتمثل في تلوث PFAS. ويوفر بحثهم أساسًا واعدًا لتطوير تقنيات تنقية مستقبلية من شأنها المساعدة في معالجة القضايا البيئية المُلحة.
يتطلع البروفيسور إيزوبي إلى المستقبل بخطط لتحسين طريقة تنقية المياه باستخدام الأغشية الرقيقة. وقال: "نعتمد حاليًا على السخانات ومضخات التفريغ لتعزيز تدفق بخار الماء أثناء عملية إزالة PFAS. ومع ذلك، نهدف إلى الانتقال إلى التدفئة الشمسية لإنشاء نظام خالٍ من الكهرباء، مما يجعله أكثر استدامة وكفاءة".
ويمثل هذا التطور المثير خطوة إلى الأمام في إيجاد حلول مستدامة لتنقية المياه، مما يوفر الأمل في الحصول على مياه أنظف وأكثر أمانًا في مكافحة التلوث الكيميائي الضار.
