مادة إسفنجية حديثة لحماية البيئة: ستسمح بإزالة الزئبق من الماء

مادة جديدة تشبه الإسفنج، هشة وسوداء اللون، تم إعدادها بواسطة التجفيف بالتجميد، قادرة على أداء مهام مثيرة للإعجاب للغاية

مادة جديدة تشبه الإسفنج، هشة وسوداء اللون، تم تحضيرها بالتجفيف بالتجميد (على غرار الآيس كريم الذي يأكله رواد الفضاء) قادرة على أداء مهام مثيرة للإعجاب للغاية. وهذه المادة، التي أعدها كيميائيون من جامعة نورث وسترن، قادرة على إزالة الزئبق من مصادر المياه الملوثة، وفصل الهيدروجين عن الغازات الأخرى، وهي محفز أكثر فعالية من الذي يستخدم حاليا لإزالة مركبات الكبريت من النفط الخام.

إزالة الكبريت بالهيدروجين هي عملية كيميائية تحفيزية شائعة جدًا تزيل الكبريت من الغاز الطبيعي ونواتج التقطير البترولية، مثل البنزين والديزل ووقود الطائرات. وفي غياب هذه العملية الفعالة، سنستمر في حرق الكبريت، وهي عملية تساهم في تكوين المطر الحمضي.

وقد حاول العلماء تحسين العملية، ولكن دون جدوى. يعتقد العديد من العلماء أن العملية الموجودة اليوم هي الأفضل على الإطلاق. أفاد باحثو الجامعة، بالتعاون مع زملائهم في جامعة ويسترن واشنطن، أن المادة الجديدة لديها نشاط يبلغ ضعفي المحفز الشائع حاليًا للعملية، بينما تتكون من نفس المكونات.

المادة الجديدة، كبريت الكوبالت والموليبدينوم، هي نوع جديد من الجليكوجيل، وهي عائلة من المواد تم اكتشافها قبل بضع سنوات فقط في نفس الجامعة. وهذه المواد عبارة عن شبكات غير منتظمة من ذرات معدن الكبريت ذات مساحة سطحية واسعة جدًا. وتتكون المادة الجديدة من عناصر مشتركة، وتكون مستقرة عند تعرضها للهواء أو الماء، ويمكن الحصول عليها على شكل مسحوق.

ونشرت تفاصيل المادة الجديدة وخصائصها في المجلة العلمية Nature Chemistry. هذه هي المقالة الأولى المتعلقة باستخدام هذه المواد للتحفيز الكيميائي وفصل الغاز.

قال المؤلف الرئيسي للدراسة، الكيميائي ميركوري جي كاناتزيديس: "لقد فوجئت بالنشاط المثير للإعجاب للمحفز الخاص بنا، نظرًا للصعوبات التي واجهها الباحثون في محاولاتهم السابقة لتحسين عملية إزالة الكبريت الصحيح". "في الأساس، سيكون المحفز الخاص بنا قادرًا على العمل بضعف كمية النفط الخام مقارنة بالمحفز الحالي. وفي هذه الأيام نجري اختبارات لفحص كيفية عمل المحفز في ظل ظروف صناعية أكثر."

أعد الباحثون المحفز الخاص بهم باستخدام طريقة مختلفة عن الطريقة المعتادة. المادة عبارة عن مادة هلامية مكونة من الكوبالت والنيكل والموليبدينوم والكبريت، والتي تخضع في الخطوة التالية لعملية تجميد وتجفيف للحصول على مادة تشبه الإسفنج بمساحة سطحية كبيرة للغاية - بحجم سم3 واحد من المادة، حيث أن مساحة سطحه تعادل حوالي نصف مساحة ملعب كرة القدم. هذه المساحة السطحية الواسعة وثبات المادة في ظل الظروف التحفيزية هي ما يجعلها ورنيشًا نشطًا.

كما أظهر الباحثون أن المادة قادرة على امتصاص المعادن الثقيلة السامة من مصادر المياه الملوثة بكفاءة غير مسبوقة، وهو ما لا يوجد في أي مادة أخرى معروفة. وكانت المادة قادرة على إزالة حوالي تسعة وتسعين بالمائة من الزئبق الموجود في المياه الملوثة بتركيز لا يتجاوز بضعة أجزاء في المليون. ويميل الزئبق إلى الارتباط بذرات الكبريت الموجودة بكميات كبيرة في المادة الجديدة.

وقبل عامين، أفاد نفس الباحثين عن هلام كحولي قادر على إزالة الزئبق من السائل، لكن هذه المادة كانت تحتوي على مادة البلاتين الثمينة؛ يحتوي جل الكالكوجيل الحديث على عناصر ثمينة فقط، حيث يحل النيكل والكوبالت محل البلاتين. ترتبط ذرات النيكل والكوبالت بذرات الكبريت في أنيونات الثيوموليبدات لتشكل بنية مسامية ثلاثية الأبعاد.

يوضح الباحث: "لقد تمكنا من أداء مهمة صعبة بشكل خاص: استبدال البلاتين بالكامل باستخدام مواد شائعة فقط لتكوين الجل". "لقد وجدنا الظروف المناسبة للحصول على الميزات التي نحتاجها. وكان العنصر الرئيسي هو تغيير المذيب من الماء إلى الفورماميد.

بالإضافة إلى كونها محفزًا أفضل لإزالة مركبات الكبريت والزئبق المرتبط، فإن المادة أيضًا فعالة جدًا في فصل الغاز. وأظهر الباحثون أن المادة تزيل ثاني أكسيد الكربون بسهولة من الهيدروجين، وهو تطبيق قد يكون مفيدًا في صناعة الهيدروجين. تستخدم عملية فصل الغاز ذرات الكبريت "الناعمة" الموجودة بتركيزات عالية على سطح المادة الجديدة. وتميل هذه الذرات إلى التفاعل مع الجزيئات الناعمة الأخرى التي تمر بها بحيث يتباطأ معدل حركتها في هذا الممر. الهيدروجين، أصغر العناصر، هو عنصر "صلب". "ينزلق" الهيدروجين ببساطة عبر المادة بينما تبقى الجزيئات الناعمة مثل ثاني أكسيد الكربون فيها لفترة أطول.

أخبار الدراسة