تطبيق مبادئ الكيمياء الخضراء في تطوير المواد الكيميائية الأكثر أماناً

تطبيق مبادئ الكيمياء الخضراء في تطوير المواد الكيميائية الأكثر أماناً

إن المغذيات الزائدة - ولا سيما النيتروجين والفوسفور - من المجرى الزراعي، وتصريف مياه الصرف الصحي، والثعبان الصناعي هي عوامل رئيسية للتغذية في البحيرات والأنهار والمياه الساحلية، وهذه العملية تستنفد الأوكسجين وتقتل الأسماك وتخلق في كثير من الأحيان مزهرات ضارة تهدد إمدادات مياه الشرب ونظم إيكولوجية مائية.

المبادئ الاثنا عشر في الممارسة: التحول نحو إدارة مغذيات أكثر أمنا

وتتكون الكيمياء الخضراء التي أضفت عليها رسمياً بول أناستا وجون وارنر في عام 1998 من اثني عشر مبدأً يسترشد بها تصميم المنتجات والعمليات الكيميائية للحد من المواد الخطرة أو القضاء عليها، وعند تطبيق هذه المبادئ على إزالة المغذيات، تدفع هذه المبادئ الابتكار في كيفية تجميع المواد الكيميائية واستخدامها والتخلص منها، وتبحث الفروع التالية كيفية إعمال مبادئ محددة في هذا المجال.

Designing Safer Chemicals: From Broad —Spectrum Toxicity to Targeted Action

:: عوامل إزالة المغذيات التقليدية، مثل كبريتات الألمنيوم وكلوريد الأسمدة، تعمل عن طريق تهيّل أورام الفوسفات خارج الحل، وفي حين أن هذه النواقل المعدنية يمكن أن تطلق أحجاراً خالية من الألومنيوم أو الحديد التي هي سمية للكائنات المائية، ولا سيما في الهيدروجين المنخفض أو في ظروف سمية، فإن الكيمياء الخضراء تُحدِّد آثاراً انتقائيةً لمُفعَة بعد.

وعلى سبيل المثال، قام الباحثون بتوليف البوليمرات القابلة للتحلل الأحيائي التي تشكل مجمعات مستقرة مع الفوسفات، مما يسمح بالانتعاش وإعادة الاستخدام بدلا من التخلص الدائم، وبالمثل، تم تصميم مبدئيات ثاني أكسيد البوليساكشاريد المعدلة - مثل تصميم الخلايا المزودة بالكربونات والمشتقات المشتقات من الديتوسان - على نحو يستهدف الأنواع المحتوية على النيتروجين، مع التحلل البيولوجي الكامل لهذه المركبات.

منع النفايات: الانتقال بعيدا عن العمليات المكثفة

فعملية إزالة المغذيات الكيميائية التقليدية غالبا ما تولد حمأة ضخمة وثرية معدنية تتطلب معالجة وتصريف مكلفين، فالمبدأ الأول للكيمياء الخضراء - يمنع النفايات بدلا من معالجة أو تنظيف النفايات بعد تكوينها - يشجع على استحداث مواد كيميائية تقلل من حجم الحمأة أو تزيلها كليا.

كفاءة الطاقة: تحقيق المستوى الأمثل من التوليست والعلاج

ويتطلب إنتاج المواد الكيميائية التقليدية مثل كبريتات الألومنيوم حاسبة عالية الحرارة ومدخلات كبيرة من الطاقة، ويعزز الكيمياء الخضراء الطرق الاصطناعية التي تعمل في درجة حرارة وضغط المحيط، ويقلل التوليف المزود بالموجات الدقيقة للملوثات الحية الكثيفة، على سبيل المثال، من أوقات التفاعل من ساعات إلى دقائق، ويخفض استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 60 في المائة.

استخدام المواد الخام المتجددة: إصلاح المواد الكيميائية المحتوية على بيولوجيا

ويعتمد العديد من المكوّنات والزهور التقليدية على احتكارات مستمدة من مادة الكيمياء البتروكيميائية، أما المبدأ السابع للكيمياء الخضراء - استخدام المواد الوسيطة المتجددة - فيدفع الحقل نحو المواد المصدرة من الكتلة الحيوية المتجددة سنويا، وفيما يتعلق بإزالة المغذيات، فقد برز عدد من المرشحين الواعدين:

• ]Chitosan - derived from chitin in crustacean missiles - exhibits strong flocculation and antimicrobial properties. It can remove up to 90% of suspended solids and colloidal phosphosphororus from wastewater without synthetic additives.
• Alginate] — extracted from Brown seaweed — forms biocompatible hydrogels that encapsulate and settle excess nutrients. Modified alginates have demonstrated ⁇ 80% removal of ammonium ions from polluted waterways.
• ]Tannin —based coagulants - produced from tree bark and other plant sources - are highly effective over a broad pH range and produce sludge that can be composted.
• Starch — starch — solidfted copolymers] — combining renewable starch with small amounts of biodegradable synthetic moieties — offer adjustedable charge density for targeted nutrient removal.

مذيبات ومساعدات: تجنب الإضافات السمية

وكثيرا ما ينطوي إنتاج واستخدام المواد الكيميائية المغذية على المذيبات والمفرقعات والمثبتات التي يمكن أن تكون خطرة، وتقضي الكيمياء الخضراء بتدنية أو إزالة المواد التبعية، وعندما تكون ضرورية، ينبغي أن تكون غير متقنة، وتستخدم تركيبات جديدة كثيرة المياه كمذيبة أثناء التوليف، وتُسلَّم بعض المكونات البيولوجية - القائمة على الباحثات ذات السمية المركزة التي تتطلب حلولاً عضوية.

Innovative Developments in Safer Nutrient Removal Chemicals

وقد أدى إدماج مبادئ الكيمياء الخضراء إلى مجموعة متنوعة من المواد والعمليات الجديدة، فيما يلي فئات رئيسية من الابتكار، يقترن كل منها بدراسات إفرادية وببحوث حديثة.

مركبات وقود ذات قاعدة بيولوجية

وقد تم تعديل البوليساتيدات الطبيعية والبروتينات واللوحات لتعزيز قدرتها على التحلل المغذي مع الاحتفاظ بالتحلل الأحيائي، فعلى سبيل المثال، أظهرت دراسة أجريت في عام 2022 أن مشتقاً مائياً من علكة الضباب قد أزال 95 في المائة من الفول السوداني من مياه النفايات الاصطناعية في الجرعات ذات السعة الواحدة من تلك التي تحتوي على البوليكرياميد التقليدي.

نانومات مع المغذيات المستهدفة

وتوفر المواد النانوية معدلات عالية من السطح إلى الغلاف الجوي والكيمياء السطحية غير القابلة للتداول. وتشمل المواد النانوية الخضراء المدمجة - المنتجة باستخدام مستخرجات النبات أو البكتيريا - تجنب عوامل خفض السمية المستخدمة عادة في تركيب النانيومات التقليدية.

• Layered double hydroxides (LDHs)] - synthetic clays that intercalate phosphate and sulfate ions. Bioinspired LDHs prepared using alkaline wastewater from olive oil mills have shown phosphate removal capacities exceeding 100 mg/g.
• Magnetic nanoparticles] functionized with amine groups that bind nitrate and phosphate. After use, a magnetic field recovers the particles, which can be regenerated with a mild salt solution, minimizing chemical waste.
• Zinc oxide nanorods - grown on cellulose fibers - that photocatalytically degrade organic nitrogen compounds under sunlight, converting them into harmless nitrogen gas.

النُهج الانزيمية والبيولوجيا

وتوفر الأنزيمات درجة عالية من التحديد وتعمل في ظروف بسيطة، وتتفق تماما مع تركيز الكيمياء الخضراء على ظروف الحفز ورد الفعل على اللبس، وهناك استراتيجيتان انزيميتان ملحوظتان هما:

• Urease inhibition] - to control ammonia release from fertilizers. Immobilized urease in a porous biopolymer fisheries can slow hydrolyze urea, preventing rapid ammonia spikes that fuel algal blooms.
• Phytase application] - to degrade phytate, a common organic phosphate in animal manure. Phytase converted 70% of organic phosphorus in pig slurry into soluble orthophosphate, which was then precipitates as struvite, a valuable slow-release fertilizer.

تركيب الخرسانة مع الإضافات الخضراء

إن استعادة الفوسفور كسلوفية (فوسفات الأمونيوم المغنزيئي) هي تكنولوجيا ثابتة، ولكن التهطال التقليدي يستخدم مواد كيميائية قاسية، وتشمل ابتكارات الكيمياء الخضراء استخدام المياه البحرية (الثراء في المغنزيوم) كمصدر للمغنزيوم واستخدام حمض الاستشهاد كمبيد كلوريدي بلوري لإنتاج بلورات كربونية أضخم وأيسر في زراعة ألفو.

التحديات والعقبات في طريق التبني

ورغم التقدم الكبير المحرز، فإن الاعتماد التجاري الواسع النطاق للمواد الكيميائية التي تزيل المغذيات الخضراء يواجه عقبات عديدة، فهم هذه التحديات أمر أساسي بالنسبة للباحثين وصانعي السياسات الذين يهدفون إلى التعجيل بالانتقال.

التكلفة والقابلية للتسويق

أما المواد الوسيطة ذات القاعدة البيولوجية، ولا سيما تلك التي تُستمد من المحاصيل الكيمائية أو النفايات المحتوية على الطلقات، فتتحمل في كثير من الأحيان تكاليف شراء وتجهيز أعلى من تكاليف البتروكيميائيات السائبة، وعلاوة على ذلك، فإن إنتاج العديد من التركيبات الانزيمية لا يزال باهظ التكلفة بسبب انخفاض العائدات والتنقية المعقدة، ويتطلب التوسع من غرامات مختبرية إلى أطنان صناعية على نطاق العمليات التي لا تزال جارية بالنسبة للعديد من المواد الواعد.

الاستقرار والحياة الشولفية

فالبوليمرات الطبيعية واللوائح البيولوجية حساسة بالنسبة للحرارة، والهيدروجيني، وتدهور الميكروبيات، وقد يفقد المكوّن من الشيتوسان، على سبيل المثال، 30 في المائة من نشاطه في غضون ستة أشهر إذا لم يخزن تحت ظروف خاضعة للرقابة، كما أن التركيبات المتينة الهندسية - عن طريق التهاب النسيج، أو الاختناق، أو إضافة كميات صغيرة من المواد الحافظة المعتمدة - هي مجال نشط من البحوث.

الموافقة على اللوائح التنظيمية وقبول الجمهور

ويجب أن تخضع المواد الكيميائية الجديدة لفحص دقيق للوفاء بالمعايير التنظيمية لإضافة مياه الشرب (مثلاً، NSF/ANSI 60) والحدود القصوى للتصريف المتدفق، ويمكن أن تستغرق عملية الموافقة سنوات وتكلف ملايين الدولارات، أما بالنسبة للمواد الكيميائية المستمدة من الكائنات المحورة جينياً (مثل الأنزيمات الهندسية)، فلا بد من إجراء تقييمات إضافية للسلامة البيولوجية، كما يجب معالجة التشكك العام بشأن المواد الجديدة، ولا سيما المواد النانوية.

مقاييس المياه العكسية

وتتباين المياه المستعملة في العالم الحقيقي وأجهزة المياه الطبيعية اختلافا كبيرا في الهيدروجيني، والاضطرابات، والحمولة العضوية، والقوة الأيونية، وقد يؤدي الراكب الأخضر الذي يعمل بشكل ممتاز في مياه المختبر الاصطناعي إلى أداء ضعيف في ظروف عالية الخطورة أو شديدة الاضطرابات، ويعمل الباحثون الآن على تركيبات التكيف - مثل النظم ذات الدوافع المزدوجة التي يمكن أن تُدرَس على الإنترنت - لضمان أداء متسق عبر مصادر متنوعة.

الآفاق المستقبلية: نحو اقتصاد مغذيات دائري

والهدف النهائي من تطبيق الكيمياء الخضراء على إزالة المغذيات ليس فقط معالجة التلوث بل تحويل مغذيات النفايات إلى موارد قيمة، وهذه الرؤية تتماشى مع مبادئ الاقتصاد الدائري، حيث تُستخدم المواد وتُصمم النفايات.

استرداد المغذيات وإعادة استخدامها

فالجيل القادم من المواد الكيميائية يجري تصميمها منذ البداية لتسهيل الانتعاش، فعلى سبيل المثال، فإن الملو ِّثات القابلة للاستبدال - البوليمرات التي تغير القابلية للذوبان استجابة لحافز )مثلاً، تزييف ثاني أكسيد الكربون( - تتيح الفصل السريع وتجديد كل من عامل التقاط المواد الغذائية والمغذيات الملتقطة، ويمكن أن تمكن محطات معالجة مياه الفضلات من بيع مواد الفسفور والنيتروجين المحتملة كعاملات المعالجة المخففة.

التكامل مع الطاقة المتجددة

كما يمكن للكيمياء الخضراء أن تقلل من كثافة الطاقة في إزالة المغذيات، كما أن المواد المحتوية على صور مثل مركبي نيتريد الكربون، تستخدم الضوء الظاهر لحفز خفض النيترات إلى غاز النيتروجين، ويمكن في نهاية المطاف أن يؤدي الجمع بين هذه المواد ونظم البركة الشمسية أو الفولطية الضوئية إلى إزالة الحاجة إلى الكهرباء الشبكية في خطوات علاجية معينة.

الاستخبارات الفنية والفرز العالي

وللتعجيل باكتشاف المواد الكيميائية لإزالة المغذيات الخضراء، يستخدم الباحثون التعلم من الأجهزة الآيرلندية والآلات للتنبؤ بأدائها وسمية آلاف الجزيئات المرشحة، وقد فرزت دراسة حديثة 000 10 من البوليمرات المزودة بالطاقة الأحيائية في سيليكو، وحددت 20 هيكلا واعدا كانت قد اختلفت بعد ذلك واختبرت - وهي عملية استغرقت أشهرا بدلا من سنوات، وستوسع هذه الأدوات، إلى جانب توليف آلي، بسرعة مكتبة المواد الكيميائية الخضراء الصالحة.

الحوافز التنظيمية والسياساتية

وسيتسارع الاعتماد عندما تكافئ الأطر التنظيمية استخدام المواد الكيميائية الأكثر أماناً، فبرنامج الاختيار الآمن الذي تنفذه وكالة حماية البيئة في الولايات المتحدة ومبدأ استبدال الوكالة الأوروبية للمواد الكيميائية هما مثالان على سياسات تشجع المصنعين على الانتقال من المواد الخطرة، كما أن الائتمانات الضريبية للكيمياء الخضراء، وسياسات المشتريات العامة الخضراء، والتصاريح التي يمكن أن تكافئ بدائل السمية الأقل يمكن أن تزيد من تضخيم التوازن الاقتصادي لصالح هذه الابتكارات.

خاتمة

والكيمياء الخضراء ليست مجموعة فرعية من المعالجة المائية - فهي الأساس الذي يجب أن تبنى عليه تكنولوجيات أكثر أمانا واستدامة لإزالة المغذيات، وبتطبيق مبادئ مثل منع النفايات والمواد الوسيطة المتجددة، والتصميم الكيميائي الأكثر أمانا، يقوم الباحثون والمهنيون في الصناعة بتطوير مواد كيميائية تحمي بشكل فعال نوعية المياه دون ترك أثر للأذى، وفي حين أن التكلفة والاستقرار والقابلية للتكرار، فإن سرعة الابتكار تتسارع مع استمرار التعاون بين الكيمياء، وعلم، وعلم،

For further reading on green chemistry principles, see the American Chemical Society’s overview of the 12 Principles]. Information on bio —based coagulants can be found in ] this review in Environmental Science and Pollution Research . For recent developments in enzymatic nutrient removal, refer to [FL: