جامعة برمنغهام البريطانية تطور محفزات فائقة الرقة لتحليل الملوثات المائية

أخبار ar.wedoany.com، عرض باحثون من جامعة برمنغهام (University of Birmingham، www.birmingham.ac.uk) طريقة جديدة لإنتاج محفزات فائقة الرقة، مما يفتح آفاقًا جديدة للتحفيز الكيميائي للملوثات المائية المستمرة. تعتمد هذه العملية على استخدام مواد طباقية كمواد أولية، حيث يتم تشتيتها في مذيبات مستدامة (الماء والإيثانول)، ثم يتم تطبيق معدل إجهاد مرتفع على الطورين السائل والصلب داخل المادة المشتتة. يتغلب الإجهاد الميكانيكي على قوى التجاذب فان دير فالس التي تربط المواد معًا، مما يؤدي إلى فصل الطبقات إلى صفائح دقيقة ومتناهية الصغر يمكن أن تصل سماكتها إلى بضع ذرات أو جزيئات. بالإضافة إلى تصنيع مواد فائقة الرقة ذات كفاءة كمومية عالية، تدعم العملية الجديدة بسهولة دمج مواد مختلفة، مما يسمح للفريق البحثي بتجربة "مواد اصطناعية فريدة، مثل نيتريد الكربون الجرافيتي وثنائي كبريتيد الموليبدينوم، وهما من أشباه الموصلات الطباقية العضوية وغير العضوية الواعدة التي يمكنها دعم النشاط التحفيزي الضوئي في نطاقي الأشعة فوق البنفسجية (UV) والطيف المرئي"، وفقًا لجيسون ستافورد، الأستاذ المشارك في الهندسة الميكانيكية بجامعة برمنغهام. تعمل هذه العملية بواسطة القوى الميكانيكية وليس الطاقة الحرارية، مما يمنحها بصمة بيئية أصغر مقارنة ببعض طرق تصنيع المحفزات الأخرى، كما يمكن إعادة تدوير المذيبات والمواد الأولية واستخدامها مرة أخرى أثناء العملية.

يوجه التركيز على التحفيز الضوئي هذه المواد الجديدة نحو تطبيقات تحليل الملوثات الضارة في المياه. تستخدم هذه التطبيقات عادةً المحفزات الضوئية في عمليات الأكسدة المتقدمة (Advanced Oxidation Processes، AOPs). وأشار إيروينغ راميريز، الباحث في جامعة برمنغهام: "من خلال تمكين التحفيز الضوئي في نطاقي الأشعة فوق البنفسجية والمرئي، يمكن لهذه المواد المحفزة الاستفادة من نسبة أعلى من ضوء الشمس الساقط مقارنة بالمحفزات الضوئية التقليدية (مثل ثاني أكسيد التيتانيوم)، وتجنب بعض عيوب عمليات الأكسدة المتقدمة الأخرى. يمكن أن يفتح هذا الباب أمام معالجة مياه الصرف الصحي الشمسية السلبية التي لا تتطلب عادةً أضواء عالية الكثافة. بالإضافة إلى ذلك، توفر المواد النانوية ثنائية الأبعاد مساحة سطحية أكبر لكل غرام من المادة، مما يساعد على زيادة معدلات التفاعل وتحقيق استخدام أكثر كفاءة للضوء."

في المختبر، قام الفريق بتصنيع مواد تحفيز ضوئي جديدة على نطاق موسع، تعادل حوالي 100 غرام من المحفز. وأضاف جاكوب براون، طالب دراسات عليا في فريق ستافورد: "على الرغم من أن الكمية تبدو صغيرة بشكل عام، إلا أنها يمكنها معالجة مئات بل آلاف اللترات من المياه في تطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي. كما يُظهر هذا العمل أن المواد النانوية المُصنّعة يمكن تثبيتها على ركائز مثل الزجاج، مما يلغي الحاجة إلى عمليات فصل المحفزات النهائية المكلفة، ويتيح معالجة كميات كبيرة من مياه الصرف الصحي. وهذا مهم بشكل خاص للتوسع في أنظمة معالجة التدفق المستمر." ولإظهار أداء المحفز نفسه في بيئة معالجة مياه الصرف الصحي، قام الفريق بتوسيع نطاق العملية من نظام شبه دفعي صغير إلى نظام تجريبي بسعة 5 لترات، يمكنه استخدام الأشعة فوق البنفسجية أو ضوء الشمس للإضاءة في البيئات الخارجية.