لقد كان تلوث المياه بالنيترات يشكل تهديدًا للبيئة والصحة البشرية منذ فترة طويلة. والآن، نجح باحثون في جامعة ييل في تطوير طريقة فعالة لإزالته.
تقترح ليا وينتر، الأستاذة المساعدة في الهندسة الكيميائية والبيئية، استخدام أغشية مكهربة مصنوعة من أنابيب الكربون النانوية كاستراتيجية لإزالة النترات من مياه الشرب. وقد نُشرت النتائج في مجلة Nature Water.
وكما يشير وينتر، هناك عادة طريقتان لإزالة النترات من الماء: فصلها وتدميرها، وفقا للموقع.phys.org“
وأضافت “إذا كنت تكتفي بفصل النترات، فإنك تنتهي إلى تيار نفايات مركز يعود حتماً إلى البيئة ثم إلى مياه الشرب. لذا فمن الأفضل أن تتمكن من تدميره”.
تتضمن تقنيات التدمير التقليدية عملية نزع النترات بيولوجيًا، والتي تُستخدم عادةً في محطات معالجة مياه الصرف الصحي. تكمن المشكلة في أن هذه العمليات دقيقة، وحتى التغيير الطفيف في أشياء مثل توازن الرقم الهيدروجيني، أو محتوى الخلايا، أو درجة الحرارة يمكن أن يتسبب في انهيار العملية بأكملها. ولأنك تعتمد على الميكروبات لتدمير النترات، فقد تكون العملية بطيئة للغاية.
عرض الأخبار ذات الصلة
وللتغلب على هذه العقبات، طور العلماء عمليات تحفيز كهربائي. “إنها أسرع بكثير، وتدمر النترات حتى لا ينتهي بك الأمر إلى تيار مركز من النفايات”.
لكن وينتر يشير إلى أنه على الرغم من أن هذه التقنيات تسمح بمزيد من التحكم في العملية، إلا أنها لها أيضًا عيوبها. تتضمن العمليات الكهروكيميائية الكلاسيكية استخدام أقطاب مسطحة ثنائية الأبعاد.
وقالت “لا يمكنك نقل النترات من المحلول إلى أقطابك الكهربائية بسرعة كافية لتتمكن من تفاعل النترات بكفاءة على سطح القطب الكهربائي”.
تمكن مختبر وينتر من التغلب على هذه المشكلة باستخدام أغشية مكهربة مصنوعة من أنابيب الكربون النانوية والبوليمر الذي يربطها معًا.
“يتدفق الماء عبر القطب الكهربي في هذه الأنظمة، ولكن المفتاح هنا ليس فقط أن لدينا مسامًا يتدفق الماء من خلالها، ولكن أيضًا أن أحجام هذه المسام صغيرة حقًا.”
في الأنظمة التقليدية ثنائية الأبعاد، يبلغ سمك طبقة السائل الأقرب إلى سطح القطب الكهربائي ـ “الطبقة الحدودية” ـ نحو مائة ميكرومتر. وهذه الطبقة الحدودية الكبيرة نسبياً قادرة على الحد من التفاعل لأن تدفق السائل، وبالتالي نقل النترات عبر تلك الطبقة، أبطأ كثيراً من معدل التفاعل نفسه.
تتميز الأغشية التي تم تطويرها في مختبر وينتر بمسامات ذات أحجام تبلغ حوالي 50 نانومتر، أو ما يقرب من 2000 مرة أصغر. وهذا يعني أن هناك مساحة “بطيئة” أصغر بكثير للنيترات لتتحرك من خلالها قبل أن تصل إلى سطح القطب وتخضع للتفاعل.
“وبالتالي، في هذا الترتيب، نتمكن من التغلب على قيود الانتشار، وقد بدأنا نرى بعض الخصائص المثيرة للاهتمام”، كما قال وينتر.
وعلى النقيض من أغلب الأنظمة الكهروكيميائية، التي تتطلب استخدام المعادن لتحقيق القدر الكافي من تحويل النترات، فإن أغشية وينتر لا تحتوي على أي معدن. ولأنها تتغلب على قيود الانتشار، فإن الأغشية ـ باستخدام أنابيب الكربون النانوية كمحفزات ـ قادرة على تحقيق تحويل النترات على نحو مماثل لما يحدث باستخدام المحفزات المعدنية.
أحد الفروق الكبيرة بين هذه التقنية والعمليات الكهروكيميائية التقليدية هو أنها تقلل بشكل كبير الوقت المستغرق لتدمير النترات.
عرض الأخبار ذات الصلة
“في العمليات الكهروكيميائية التقليدية، يستغرق الأمر عادة ساعات إذا كنت تريد إزالة 80% أو 90% من تلك النترات”، قالت. “يجب أن تمنح التفاعل وقتًا طويلاً لأن الأمر يستغرق وقتًا طويلاً حتى تصل كل تلك النترات إلى الأسطح (الأقطاب الكهربائية). في أنظمتنا، نحصل على تحويل مماثل بنحو 80% في 15 ثانية باستخدام مفاعلنا. ننتقل من عملية تستغرق ساعات إلى 15 ثانية.”
ومن أجل اختبار هذه التقنية في تطبيق عملي في العالم الحقيقي، أخذ فريق البحث التابع لوينتر عينات مياه من بحيرة وينترجرين، بالقرب من حرم جامعة ييل، وأضاف إليها كمية صغيرة من النترات.
وقالت “من الأسهل في الواقع تحويل تركيزات أعلى، لذا أردنا تحديدًا معرفة ما إذا كان هذا سينجح عند تركيزات أقل تمثل ما نراه في المياه الملوثة الحقيقية. لقد أخذنا هذا التركيز، ثم تمكنا من إزالة النترات إلى ما دون معيار وكالة حماية البيئة لمياه الشرب”.
