استعانوا بأكسيد الغرافين وأنابيب كربونية نانوية لفصل المواد بشكل آمن وفعال
باحثون من جامعة خليفة يطورون أغشية مستدامة لإزالة العناصر الغذائية الزائدة من مياه الصرف

طور فريق بحثي من جامعة خليفة أغشية يمكن الاستفادة منها في التطبيقات العملية لمعالجة مياه الصرف، حيث ضم الفريق كلًا من الدكتور شادي حسن، أستاذ مشارك ومدير مركز الأغشية وتكنولوجيا المياه المتقدمة في جامعة خليفة والأستاذ الدكتور فوزي بنات، رئيس قسم الهندسة الكيميائية في جامعة خليفة والدكتورة هناء حجاب، زميلة دكتوراه والدكتور فيجاي وادي، عالم بحثي وهيام خليل ولبنى ناصر، وكلتاهما طالبة في برنامج الماجستير.

ونشر الباحثون نتائج مشروعهم في المجلة الدولية "إن بي جيه كلين ووتر"، وهي مجلة علمية تركز على نشر البحوث التي تغطي جميع القضايا العلمية والتكنولوجية والاجتماعية التي من شأنها تساهم في توفير المياه النظيفة والمستدامة.

يشكل ارتفاع مستويات العناصر الغذائية في المنظومة البيئية عاملًا مفيدًا لكن في حال كانت مستويات تلك المواد زائدة عن الحاجة يتشكل ما يعرف بـ (الإثراء الغذائي) الذي يؤدي إلى انتشار الطحالب ونقص الأكسجين في الماء وبالتالي قتل الأسماك والأعشاب البحرية ونشوء سلسلة تتمثل بانتقال المواد والعناصر الغذائية من كائن حي إلى آخر في المنظومة البحرية. من جهة أخرى، تساهم الكميات الكبيرة من ثاني أكسيد الكربون الناتج عن تحلل النباتات في ارتفاع نسبة الحموضة في المياه والتي تسبب بطئًا في نمو الأسماك والمحار . وبذلك، يشكل الإثراء الغذائي خطرًا كبيرًا على الحياة البحرية، حيث يعني تدني مستويات الصيد لأغراض تجارية وترفيهية انخفاض كميات الإنتاج وارتفاع التكلفة الاقتصادية للأطعمة البحرية.

قال الدكتور شادي: "تساهم زيادة تراكم المواد الغذائية، والتي تشمل النيتروجين والفسفور المطروحة على سطح المياه والأنهار  والأحواض المائية، في تسريع تشكل ظاهرة الإثراء الغذائي التي تلحق الضرر بالمنظومة البحرية. نحتاج في هذا الإطار إلى ضبط مستويات العناصر الغذائية في المياه وتطوير التكنولوجيات المتقدمة لمعالجة المياه وإزالة العناصر الغذائية الزائدة عن الحاجة".

تتوفر العديد من التكنولوجيات في الوقت الحالي، حيث يمكن إزالة النيتروجين بشكل كيميائي من خلال الطرق التي تتضمن المعالجة بالكلور والمعالجة بالنيتروجين، إضافة لتوفر المنهجيات الحيوية، إلا أنه قد ينجم عن استخدام الطرق الكيميائية مواد ثانوية غير مرغوب  بها وتعتبر المعالجة بالطرق الحيوية غير فعالة وتستهلك وقتًا طويلًا، وكلاهما لا توفر أسلوبًا متكاملًا لتنقية المياه.

يكمن الحل في تكنولوجيا الأغشية المتقدمة، حيث طور فريق جامعة خليفة البحثي مركب حمض متعدد اللاكتيك وغشاء نانوي لإزالة العناصر الغذائية من مياه الصرف.

يقوم مبدأ عمل الغشاء على الامتصاص، حيث استعان الباحثون بمادة نانوية مشحونة بشحنة موجبة وتتكون من أكسيد الغرافين وأنبوب كربوني نانوي متعدد الجدران بهدف إزالة النيتروجين والفسفور في وقت واحد من مياه الصرف مع الحفاظ على نفاذية المياه وتعزيزها، حيث يتم إزالة العناصر الغذائية من مياه الصرف من خلال التقاطها في مسام الأنابيب النانوية على سطح الغشاء.

تعد نفاذية المياه أمرًا هامًا بالنسبة للغشاء، فعندما يتم امتصاص العناصر الغذائية وتجمّعها تنخفض كمية المياه التي تمر عبر الغشاء . لذا، يوفر الغشاء الذي طوره الفريق معدل تدفق مرتفع جدًا عند تنقية العناصر، حيث يعزز وجود الأنابيب الكربونية النانوية  من زيادة شدة مقاومة الغشاء بشكل ملحوظ، في حين يساهم أكسيد الغرافين في تحسين الاستقرار الحراري وزيادة الفعالية ويوفر خصائص مضادة للبكتيريا، وهو ما يدعم تدفق كميات المياه عبر الأغشية.

وأضاف الدكتور شادي: "بعد استعراض ومراجعة مجموعة كبيرة وشاملة من البحوث في هذا المجال، يعتبر فريقنا البحثي الأول الذي توصل لهذه المعلومات بشأن تصنيع أغشية مثل هذه الأغشية المركبة للتخلص من العناصر الغذائية الزائدة عن الحاجة في مياه الصرف".

يعد ارتفاع مستويات العناصر الغذائية كالنيتروجين والفسفور في مياه الصرف أمرًا حتميًا. لذلك، يجب توفير منهجية خضراء مستدامة تساهم في عمليات تنقية المياه.

قال الدكتور شادي: "تؤكد نتائجنا البحثية على أن الغشاء الذي طورناه يحظى بإمكانية الاستفادة منه في تطبيقات معالجة المياه وقد يساهم هذا الابتكار في فسح المجال أمام تطوير المزيد من الأساليب الفعالة والمستدامة اللازمة لإزالة العناصر الغذائية". يذكر أن الخطوة التالية من هذا المشروع تتمثل في الانتقال بالأغشية إلى مرحلة التسويق التجاري.