احتمال كاربون ننوبيس في المواد العضوية المحتوية على مواد الحلول الأصيلة

تلوث المياه والحاجة إلى إصلاح متقدم

وتمثل الملوثات العضوية في مصادر المياه أحد أكثر التحديات البيئية إلحاحا في العصر الحديث، إذ إن التصريف الصناعي، والهروب الزراعي، والبقايا الصيدلانية، والمياه المستعملة المحلية، تُدخل آلاف المركبات العضوية في النظم الإيكولوجية المائية، ويظل الكثير من هذه المواد قائما في البيئة، ويقاوم التدهور، ويتراكم في الأنسجة الحية، وتُظهر تكنولوجيات المعالجة التقليدية للمياه، بما في ذلك التخصيب، والرش، والاختلالات العضوية، والاختلالات التقليدية.

Understanding Carbon Nanotubes

(ب) إن النانووبات الكاربونية هي مناظر للكربون ذات هياكل نانوية مسلّحة، وتتكون كل نانووب من صفائح الغرافيين المتدفقة إلى أسطوانات لا تُسمّى، وتتكون من سمات مُقاسة بمواد مُعدّدة، وتُعدّل مُعدّلةً من مُعدّلةً للكربونات السطحية، وتُحدّدّدّدُهاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاً.

أهم الاختبارات المادية والكيميائية للاستيعاب

ويعود الأداء الاستيعابي للكربون النانوب إلى عدة خصائص مترابطة، بينما يمكن أن تصل المساحة السطحية المحددة للنفثالينات إلى قيم تتجاوز 000 1 متر مربع للغرام، وتوفر مواقع وفرة للملوثات الملزمة، كما أن السور الجانبي الملزم للجرعات المحتوية على الهيدرولوجينية، ونظام التلقيم المحتوي على ثاني أكسيد الكربون القادر على التفاعل مع الجزيئات العضوية غير المشبعة.

الآليات التي تحكم استيعاب الملوثات العضوية

ونادراً ما تحكم التفاعل بين نانووب الكربون والجزئات العضوية آلية واحدة، بل إن القوى المتعددة تعمل في وقت واحد، وتتوقف مساهماتها النسبية على الطبيعة الكيميائية لكل من المُصَدِّد والمُزَدِّد، فهم هذه الآليات ضروري لتصميم نظم علاج فعالة والتنبؤ بسلوك الاستيعاب في ظروف مختلفة.

Van der Waals Forces

وتنشأ تفاعلات فان دير والس من التقلبات المؤقتة في التوزيع الالكتروني داخل الجزيئات، مما يحفز أجهزة البول التي تجتذب الجزيئات المجاورة، وتساهم هذه القوى الضعيفة وغير المحددة في استيعاب جميع المركبات العضوية تقريباً على سطح النفثالينات، ويمكن أن ينتج عن ذلك التفاعل المتراكم بين الشاحنات على طول سطح النانووب طاقة ملزجة كبيرة، ولا سيما بالنسبة للجزأين الأكبر حجماً والممتدة من الكربون.

■ فصيلة الكهرباء المتبرعين - المعترضين

ويحتوي سطح الأشعة المقطعية للكربون النانوي على سحابات مائلة من القاع الملوّنة، وتعتمد الملوثات العضوية الثابتة، بما في ذلك العديد من مبيدات الآفات، والمستحضرات الصيدلانية، والدايات الصناعية، أيضا على نظم النيترون، وعندما تقترب هذه الحلقات المطاطية من سطح النفثالينات، فإن عدد الخواصات غير المتنازعة، حيث تتداخل آلية التفاعلات الفوقية وتثب المركب.

التفاعلات الكهربائية

وعند تشغيل النانووب الكربونية بالمجموعات المحملة، أو عندما يتسبب الحل في إيواء السلاسل السطحية، فإن القوى الكهروستانية تتحول إلى قوة، وتجذب الملوثات التي تحمل رسوماً إيجابية إلى أسطح محملة على نحو سلبي، والعكس بالعكس، وتضع المادة 7 من الحل في تحديد الشحنة السطحية لكل من الأنبوبين والخصائص التراكمية المحتوية على المادة 5.

التفاعلات بين الهيدروفوب

ويخلق الطابع الهيدروفي للمركبات العضوية غير القطبية، التي تشكل أكثر المواد الكيميائية التي تستخدم الهيدروجينية، والتي تزيد من قدرة الملوثات العضوية الثابتة على استيعابها، وتزيد من قدرة الملوثات العضوية الثابتة على إحداث الاحترار، بما في ذلك العديد من المذيبات المكلورة، والهيدروكربونات المسببة للتوترات المتعددة، وبقايا مبيدات الآفات، وتفضّل ترك البيئة المتأصلة مع سطح النفاثول غير القطبي.

Hydrogen Bonding

ويمكن أن تشكل المجموعات الوظيفية على النانووبات الكربونية المعدلة سندات الهيدروجين مع الملوثات العضوية التي تحتوي على ذرات إلكترونية مثل الأكسجين أو النيتروجين أو الفلور، كما أن مجموعات حمض الكاربوكسيليك، ومجموعات الهيدروكسيل الفينطي، وأجهزة امينية على سطح النفثالينات كمانحين أو مقبلين للسندات الهيدروجينية، تشارك فيها الملوثات ذات الملوِّثات الهيدروجينية التكميلية، بما في ذلك العديد من المنافع والمواثية الإضافية

أنواع الملوثات العضوية

وقد تم التحقيق في نانووب الكربون من أجل إزالة مئات المركبات العضوية من المياه، كما أن اتساع نطاق الانطباق هو أحد أكثر سماتها جاذبية، وقد حظيت عدة فئات رئيسية من الملوثات باهتمام خاص.

المواد الصيدلانية ومنتجات الرعاية الشخصية

وتتزايد اكتشاف المخلفات الصيدلانية، بما في ذلك المضادات الحيوية، والعقاقير المضادة للتهاب، والهرمونات، والمضادات، في المياه السطحية، والمياه الجوفية، وحتى مياه الشرب، وتزيل محطات المعالجة التقليدية هذه المركبات بشكل غير كامل، وتثير نشاطها البيولوجي بتركيزات مؤثرة شواغل بشأن الآثار الإيكولوجية والمقاومة المضادة للفيروسات، وقد أظهرت هذه النفثالينات قدرة عالية على الامتصاص بالنسبة للمركبات مثل الترابية

مبيدات الآفات ومبيدات الأعشاب

وتُدخل المنافذ الزراعية مبيدات الآفات ومبيدات الأعشاب في أجساد المياه حيث يمكن أن تستمر وتتراكم، وقد دُرست مبيدات الآفات العضوية والفول السوداني ومبيدات الأعشاب الثلاثية من أجل الإزالة باستخدام النفثالينات، وقد أظهرت الظروف القوية التي تتجاوز كلور الرذاذ بين الحلقات الرطبة لكثير من مبيدات الآفات ومساحة النفثالينات أنها تسهم في تحقيق أوجه لإزالة ثاني أكسيد الكربون.

الصبغة الصناعية

وتُنتج عن صناعة المنسوجات والورق والجلد والطباعة كميات كبيرة من المياه المستعملة تحتوي على أصبغة اصطناعية، والكثير منها سمي، وطفرة، ومقاومة للتحلل الأحيائي، وتسمح جميع الطوابق المُحلية المُحلية مثل بروميد الميثيلين الأزرق والمضلل الأخضر، والأدوية الأنيونية مثل بروميد الميثيل والكونغو الأحمر، والدايات غير المؤينة، بأن تُسَّقَ على نطاق عالٍ.

مجمّعات الانترنيت

وتتداخل المواد الكيميائية المسببة للاضطرابات في الغدد الصماء مع نظم الهرمونات في البشر والحياة البرية، وتتداخل البيوتسينول ألف، والفولثالث، والهرمونات غير الفينولية، والهرمونات الستيرويدية مثل الإسرادول والإيثانيلستراول، وهي من بين أكثر ما يتعلق بها، وتحتوي هذه المركبات عادة على خواتم ذاتية وثديفوبيكو، مما يجعلها مرشحة ممتازة لامتزازات عالية.

الهيدروكربونات الحرارية ذات التقلبات الدوديسية

وتتكون الهيدروكربونات العطرية ذات التقلبات الدورية أثناء الحرق غير الكامل للمواد العضوية، وهي موجودة في السائل الصناعي، والانسكابات النفطية، والهروب الحضري، وتخلق ارتفاع رهاب الهيدروبويب وخواتمه ذات الصمامات المتعددة تفاعلات قوية بشكل استثنائي مع أسطح النانووب الكربونية، وعادة ما يكون استيعاب الهيدروجينات في النفثالينات تركيزاً سريعاً ولا رجعة فيه في ظل ظروف العزل العالية.

العوامل التي تؤثر على الأداء الاستيعابي

وتتوقف فعالية نانووب الكربون في إزالة الملوثات العضوية على متغيرات عديدة يجب أن تُحدَّد على النحو الأمثل لكل طلب، ويمكِّن فهم هذه العوامل من تصميم عمليات معالجة فعالة.

Solution pH

ويؤثر هذا النوع من المواد الكيميائية على سطح النفثالينات وعلى حالة المؤينة من الملوثات العضوية، أما بالنسبة للمركبات المؤينة، فإن المادة الهيدروجينية تحدد ما إذا كان الجزيئي موجود في شكل محايد أو محمل، ويؤثر مباشرة على التفاعلات الكهروستية مع الملوث، ويحدث الامتصاص الأمثل عادة في قيم الهيدروجين حيث تكون الاستثناءات المحتوية على مواد ملوثة ومتوافقة مع المادة النيتروجة.

درجة الحرارة

ويمكن أن تكون عمليات الاستيعاب مفرطة في الحرارة أو متجانسة في شكل ثنائي معتمداً على الآليات المهيمنة، وبالنسبة لمعظم الملوثات العضوية في النفثالينات، فإن الامتصاص هو إمتصاص غير ملوث، مما يعني أن ارتفاع درجة الحرارة يقلل من القدرة على التوازن، غير أن بعض الدراسات تفيد بأن الامتصاص الذاتي في الغدد الدنفي حيث تزيد درجات الحرارة، وربما تعزى إلى زيادة انتشار المواقع الملزمة أو تفعيلها.

Ionic Strength and Coexisting Ions

وتؤثر الملح المنزوع في المياه الطبيعية ومياه النفايات على الامتصاص من خلال عدة آليات، ويمكن أن يؤدي ارتفاع القوة الأيونية إلى الضغط على طبقة كهربية مزدوجة حول النفثالينات، مما يقلل من التكاثر الكهروستاني بين الجسيمات ويعزز التجميع، مما يقلل بدوره من مساحة السطح المتاحة، وعلى العكس من ذلك، يمكن أن يفحص وجود النفثالينات الكهرومطية بين الملوثات المحملة والتشكيلات المشابهة التي تُحمة.

وقت الاتصال وشبكة الكينت

وتتفاوت الفترة اللازمة للوصول إلى التوازن في الامتصاص تفاوتا كبيرا حسب خصائص الملوث والنفط وظروف التشغيل، إذ تشير دراسات كثيرة إلى الامتصاص الأولي السريع في غضون دقائق قليلة الأولى، يليه بطء المتناول حيث تصبح المواقع السطحية محتلة، ويصبح انتشار الجسيمات المعالجة محدودا في الأسعار.

CNT Properties

وتؤثر المساحة السطحية، والهيكل الشائك، والكثافة العيوب، ومحتويات المجموعات الوظيفية للنانووب الكربونية، في أداء الامتصاص، وبصفة عامة، فإن النفثالينات ذات المساحة السطحية المرتفعة، والثديية المتطورة جيداً، تظهر قدرة أكبر على الامتصاص، وكثيراً ما يؤدي وجود عيوب ومجموعات وظيفية محتوية على الأكسجين إلى استحداث مواقع إضافية ملزمة وتغييرات في الهيدروفورية السطحية.

استراتيجيات التشغيل

إن النانووب الكربونية الكريستية هي هيدروفوربيتش، وتميل إلى تجميعها في حلول سريعة الحد من مساحة سطحها الفعالة وتشتتها، وتعالج عملية التخصيب هذه القيود وتستحدث قدرات استيعاب جديدة، وهناك نهجان واسعان هما: التشغيل المتسق وغير المتوافق.

الأداء المتزامن

وتشمل العمليات العملية المختلطة الكيمائية للمجموعات الوظيفية مباشرة إلى إطار الكربون في النانووب، وقد يؤدي العلاج من الحمض النتري أو حمض السلفوريك إلى استحداث مجموعات من الكربوكتيل والهيدروكسيل والكربونات على سطح ونهاية النفثالينات، وقد تعزز هذه المجموعات المحتوية على الأكسجين من القدرة على التنويم الكهرمائي، وتحسن التشت في المياه، وتوفر مواقع للتفاعلات الكهرومغناطيسية والارتينات المائية.

الوظائف غير الملزمة

(ج) أن تعدل النُهج غير المتوافقة سطح النفثالينات دون تعطيل طبقة الكربون، ويمكن للمفاعلات السائلة والبوليمرات والمولود الأحيائي أن تُصَدَّد على سطح النفثالينات من خلال التفاعلات الهيدروفية، أو التعددية الانتقائية، أو القوى الكهروطية، أو زرع خصائص جديدة مع الحفاظ على هيكل النانووب، وهذا النهج قابل للتنويع، وكثيراً ما يشمل عوامل مُ بسيطة للتنفيذ؛

مقارنة مع المؤيدين التقليديين

أما الكربون المنشط فيظل أكثر المواد المستخدمة في معالجة المياه، ولكن نانووب الكربون توفر عدة مزايا متميزة، ويمكن أن يتجاوز نطاقه المحدد للكربون المنشط بمعاملين اثنين أو أكثر، كما أن هيكل الدوافع المميزة للنفثالينات المتعددة يمكن أن يوفر إمكانية أفضل للوصول إلى جزيئات ملوثة، كما أن أحشاء الامتصاص في النفثالينات المتعددة يمكن أن تكون أسرع عموماً من حيث الغياب.

التجديد والقابلية للإحالة

وتتوقف القدرة الاقتصادية للاستيعاب القائم على النفثالينات على القدرة على تجديد المواد وإعادة استخدامها على مدى دورات عديدة، وقد تم استكشاف عدة أساليب لإعادة توليد الطاقة، وتستلزم المعالجة الحرارية في درجات حرارة مرتفعة في الغلاف الجوي غير المأمون أو المكسد تحلية الملوثات العضوية واستعادة المواقع السطحية، على الرغم من أن تكرار التدوير الحراري يمكن أن يؤدي إلى عيوب ويقلل من القدرة على توليد المواد الكيميائية على مدى الزمن.

التحديات والحدود

وبالإضافة إلى ذلك، يجب التصدي للعديد من التحديات التي ظهرت في الدراسات المختبرية قبل أن تصبح نانووب الكربون عملية لمعالجة المياه على نطاق واسع، ولا تزال تكلفة المواد النانوية العالية الجودة أعلى بكثير من تكلفة الكربون المنشط، وإن كانت انخفاض تكاليف التصنيع وتحسين أساليب الإنتاج تضيق الفجوة، فتشويش المواد النانوية في المياه يتطلب مدخلات للطاقة أو مضافات كيميائية، ويزيد اتجاه النانووبات إلى تقليص المساحة المحتملة للتصريف.

إدماج النظم الحالية لمعالجة المياه

ومن المحتمل أن يشمل النشر العملي للاستيعاب القائم على أساس النفثالينات اليتية الاندماج في عمليات المعالجة التقليدية، وقد اقتُرحت عدة تشكيلات، وتُجمع الأعمدة المكدسة في البطن المحتوية على غرانات مشبع بالنفط أو على أحزمة متعددة من البيوت ذات الصبغة النفثالينية مع عمليات المعالجة المغنطة بالموجات المغناطيسية.

توجيهات البحوث المستقبلية

وسيستمر تطور ميدان استيعاب النانووب الكربوني بسرعة، مع وجود عدة سبل واعدة للتحقيق في المستقبل، وسيؤدي وضع أساليب توليفية أكثر مراعاة للبيئة من شأنها أن تخفض استهلاك الطاقة والنفايات الكيميائية إلى تحسين استدامة إنتاج النفثالينات والتلوث، ويمكن لنهج النماذج الحاسوبية والتعلم الآلي أن تتوقّع سلوك الاستيعاب بالنسبة للملوثات الجديدة، وأن تسترشد بتصميم نماذج لإمكانية المعالجة على الوجه الأمثل.

خاتمة

وتشكل نانووب الكربون منبرا قويا لإزالة الملوثات العضوية من حلول سريعة، إذ أن مساحتها السطحية الاستثنائية، والكيمياء التي لا يمكن تحصينها، وقدرتها على استخدام آليات استيعاب متعددة في الوقت نفسه، يمكن من إزالة المواد الصيدلانية ومبيدات الآفات والأدوية وغيرها من الملوثات العضوية الثابتة، وفي حين أن التحديات المتصلة بالتكلفة، والتشتت، والسلامة البيئية لا تزال قائمة، فإن استمرار التقدم في التوليف، والأخذ بالبرمجيات، والضغط، تؤدي إلى زيادة في الوقت نفسه إلى زيادة في عملية.

For further reading on this topic, see the comprehensive review on carbon nanotube adsorption published in the Royal Society of Chemistry Environmental Science journals, the authoritative guidance on nanomaterials for water treatment from the United States Environmental Protection Agency, and the detailed comparison materials available