كشفت مجهر SEM من CIQTEK عن كرات نانوية من النحاس والكربون للتغلب على تعطيل المحفز في معالجة مياه الصرف الصحي

مع تسارع وتيرة التصنيع والنمو المستمر لانبعاثات الملوثات، تُشكل مياه الصرف الصحي العضوية تهديدًا خطيرًا للنظم البيئية وصحة الإنسان. تشير الإحصاءات إلى أن استهلاك الطاقة من معالجة مياه الصرف الصناعي يُمثل 28% من إجمالي استخدام الطاقة في معالجة المياه عالميًا. ومع ذلك، تعاني تقنية فينتون التقليدية من تعطل المحفز، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة المعالجة. تواجه المحفزات المعدنية في عمليات الأكسدة المتقدمة اختناقات شائعة: لا يُمكن الحفاظ على دورة الأكسدة والاختزال بفعالية، ومسارات نقل الإلكترونات محدودة، وتعتمد طرق التحضير التقليدية على درجات حرارة وضغط مرتفعين، مع إنتاجية تتراوح بين 11% و15% فقط.

ولمعالجة هذه التحديات، قام فريق بحثي من جامعة داليان للتكنولوجيا طوروا محفزًا نانويًا من النحاس والكربون عن طريق اقتران السليلوز التجاري بأيونات النحاس بطريقة الاستبدال الجلفاني الكيميائي الرطب. كما طوروا نظام تحلل مبتكرًا يتميز بـ آلية تحفيز ثنائية القناة (مسار جذري + نقل مباشر للإلكترون) وقدرة واسعة على التكيف مع درجة الحموضة. حققت المادة تحللًا للتتراسيكلين بنسبة 65% خلال 5 دقائق (مقارنةً بأقل من 5% في المحفزات التجارية)، مع استخلاص أيونات النحاس بمعدل أقل من 1.25 ملغم/لتر (أقل من المعيار الوطني البالغ 2.0 ملغم/لتر). في مفاعل السرير المعبأ (PTR)، تمت إزالة أكثر من 99% من الملوثات خلال فترة بقاء 20 ثانية فقط. ومن خلال تمكين النشاط التحفيزي المستدام عبر مسار نقل الإلكترون المباشر، تغلب هذا النهج على مشكلة ضعف التكيف البيئي التي طالما عانت منها المحفزات التقليدية.

الدراسة بعنوان "التحلل التحفيزي القوي ثنائي القناة الذي يعتمد على الملوثات العضوية عبر مركبات Cu-C مع الحصاد الإلكتروني الاتجاهي وتوليد الأنواع الجذرية الكلاسيكية" ، تم نشره في مجلة الهندسة الكيميائية .

تكوين محفز نانوي من النحاس والكربون

باستخدام السليلوز التجاري كدعامة، أدرج الفريق أيونات النحاس عبر طريقة استبدال جلفاني كيميائي رطب لبناء مركبات نانوية من النحاس والكربون ذات نشاط تحفيزي ثنائي القناة. كشفت التوصيفات عن تأثيرات فريدة لنقل الإلكترونات في ظل ظروف مختلفة. تصوير المجهر الإلكتروني الماسح ( سيكتيك SEM5000 ) كشف التطور البنيوي الدقيق أظهر السليلوز النقي شبكةً غير منتظمة، والتي تحولت، بعد تكوينها المركب، إلى كرات نحاسية بقطر 10 نانومتر، تتجمع ذاتيًا لتشكل تجمعات هرمية بقطر 100 نانومتر. وقد ضمنت هذه البنية تشتتًا ونقلًا عاليين للإلكترونات. SEM-EDS أكد توزيع العناصر بشكل موحد. كشفت أطياف الأشعة تحت الحمراء بتقنية فورييه (FTIR) عن ذروة Cu₂O عند 682.31 سم⁻¹ نتيجة تفاعلات الأكسدة والاختزال أثناء عملية التخليق. كما دعم وجود مجموعات C=C وC=O وC–H هذه النتائج، في حين لوحظت ذروة قوية لـ-OH عند 3200-3600 سم⁻¹. أشار تحليل XPS إلى أن إشارات Cu₂p صادرة بشكل رئيسي عن Cu₂(OH)₂CO₃ وC₂O، مع إظهار روابط C₂s لـ C=C وC–C، وهو ما يتوافق مع نتائج FTIR.

الشكل 1. تحضير وتوصيف المحفز

أداء التحلل التحفيزي

في عملية تنشيط بيرسلفات (PDS)، أظهر محفز النحاس-الكربون مساري تحلل مزدوجين: إزالة 65% من التتراسيكلين في 5 دقائق (مقابل أقل من 5% في المحفزات التجارية)، مع استخلاص النحاس بتركيز 1.25 ملغم/لتر فقط، وهو أقل من الحد الوطني. أكدت تجارب المقارنة أن التحلل ناتج عن تحفيز غير متجانس. أظهرت دراسات التحسين على نوع المؤكسد، وجرعة المحفز، وجرعة المؤكسد أداءً متفوقًا لمحفز النحاس-الكربون مقارنةً بالعديد من المحفزات القائمة على النحاس.

الشكل 2. أداء تحلل محفز النانو Cu-C في إزالة الملوثات

المسارات التحفيزية ثنائية القناة

تضمنت الآلية التآزرية كلاً من مسارات نقل الإلكترونات الجذرية والمباشرة، حيث ساهمت بنسبة 55% و45% على التوالي. وقد أكدت كل من إخماد الجذور، وكشف EPR لإشارات SO₄•⁻ و⁻، وانزياحات XPS (طاقة ربط Cu(II) ↓1.01 إلكترون فولت)، وقياسات التيار الكهروكيميائي (~45 ميكرو أمبير)، تزامن هذه الآليات. وارتبطت قدرة الملوثات على منح الإلكترونات ارتباطًا إيجابيًا بالأداء التحفيزي، مما يعزز صحة مسار نقل الإلكترونات المباشر.

الحد من السمية وإعادة استخدام المياه

أظهر تحليل السمية أن سمية المواد الوسيطة للأسماك أقل بنسبة 96% من سمية LC₅₀ مقارنةً بالتتراسيكلين، مع انخفاض تأثيرات 90% من المواد الوسيطة على النمو أو الطفرات الجينية. وأظهرت تجارب نمو الطحالب أن المياه المعالجة تدعم الكتلة الحيوية للطحالب الصحية، مقارنةً بالمياه النقية. وأظهرت نباتات اللوتس المزروعة في المياه المعالجة نموًا أفضل بكثير من تلك المزروعة في مياه الصرف الصحي غير المعالجة بالتتراسيكلين، مما يؤكد إمكانية إعادة استخدام المياه بشكل آمن.

الشكل 4. انخفاض سمية المواد الوسيطة وإعادة استخدام المياه المعالجة في الأنظمة المائية

قابلية التوسع والتكيف

تم التحقق من جدوى هذه الطريقة باستخدام مساحيق Cu-C ومفاعلات CuC@FC ذات الطبقة المعبأة (PTRs). أظهرت تجارب التدفق المستمر باستخدام التتراسيكلين، وأحمر الميثيل، والكلوروبنزين إزالةً لأكثر من 99% من الملوثات والأصباغ الغنية بالإلكترونات، مع أن الأداء كان أقل للمركبات التي تعاني من نقص الإلكترونات. بالمقارنة مع الطرق التقليدية عالية الحرارة والضغط، تطلب تخليق Cu-C درجات حرارة أقل بكثير وأوقاتًا أقصر، مما يؤكد جدوى الإنتاج الآلي واسع النطاق ومنخفض الطاقة للتطبيقات الصناعية.

يحقق هذا العمل تقدمًا مزدوجًا في كفاءة واستدامة تحلل الملوثات العضوية. من خلال تمكين مسارات مشتركة لنقل الجذور الحرة والإلكترونات المباشرة، يتكيف محفز النحاس والكربون مع ظروف المياه وخصائص الملوثات المتنوعة. يمهد هذا التصميم الطريق لمعالجة مياه الصرف الصحي منخفضة الطاقة وعالية التوافق وموجهة نحو الموارد، مما يوفر نموذجًا جديدًا لمعالجة المياه الصناعية.