طوّر باحثون في جامعة RMIT مادة مغناطيسية قابلة لإعادة الاستخدام، تزيل أكثر من 95% من الجزيئات البلاستيكية الدقيقة والنانوية من مياه الصرف الصحي في غضون ساعة تقريبًا. كما تلتقط هذه المادة مجموعة من الملوثات الأخرى، بما في ذلك مركبات البيرفلورو ألكيل والبولي فلورو ألكيل، والمعادن الثقيلة، والمستحضرات الصيدلانية. نُشر هذا البحث في مجلة الهندسة الكيميائية، وهو امتداد لعملٍ نشره الفريق لأول مرة عام 2022.
إن حجم مشكلة الجزيئات البلاستيكية الدقيقة موثق جيداً. فقد باتت هذه الجزيئات تظهر في مياه الشرب، والسلاسل الغذائية، ومجاري الدم البشرية على مستوى العالم. وقد أثبتت الجزيئات البلاستيكية النانوية، التي يقل حجمها عن ميكرومتر واحد، صعوبة بالغة في معالجتها على نطاق واسع. ولا توجد حالياً أي طريقة معتمدة لإزالة الجزيئات بهذا الحجم على نطاق واسع.
ما تفعله المادة
أظهرت الاختبارات المعملية قدرة المادة الماصة على إزالة جزيئات صغيرة يصل حجمها إلى 30 نانومترًا، وهو نطاق حجمي تعجز أنظمة الترشيح التقليدية عن التعامل معه في الغالب. وقد تمت إزالة حوالي 80% من الملوثات خلال أول 15 دقيقة من المعالجة. وتُعد هذه السرعة بالغة الأهمية لأن معظم محطات معالجة المياه البلدية تعمل ضمن دورات زمنية ضيقة.
أثبتت المادة فعاليتها مع أنواع عديدة من البلاستيك الشائع، بما في ذلك البولي إيثيلين والبولي بروبيلين والبوليستر. وظلت فعالة في كل من المياه العذبة والمالحة. وبالإضافة إلى البلاستيك، سجل الباحثون معدلات إزالة عالية للزئبق والكروم والنحاس والأصباغ الاصطناعية والإيبوبروفين.
وصفت البروفيسورة نيكي إشتياغي من جامعة RMIT عملية التقاط الجسيمات البلاستيكية النانوية بأنها خطوة حاسمة نحو الأمام. وقالت: "لا يوجد حتى الآن حلٌّ واسع النطاق مُعتمد لإزالتها". وقال الدكتور محمد حارس، المؤلف الأول للدراسة، إن المادة صُممت خصيصًا لإزالة الجسيمات البلاستيكية الدقيقة والنانوية بسرعة.
الاختبارات الصناعية والاستعادة المغناطيسية
اختبر الفريق التقنية على مياه الصرف الصناعي الناتجة عن غسيل الملابس، والتي تُعدّ مصدرًا رئيسيًا لتلوث الألياف الاصطناعية. وقد أزالت المادة أكثر من 88% من ألياف البوليستر الدقيقة والأصباغ، على الرغم من وجود مواد خافضة للتوتر السطحي ومواد عضوية في الماء. تُعدّ هذه نتيجةً مهمة، إذ إنّ مياه الصرف الناتجة عن غسيل الملابس معقدة كيميائيًا، وتتراجع كفاءة العديد من طرق المعالجة في ظل هذه الظروف.
أظهر نظام نموذجي، طُوّر بالتعاون مع شركة "ون آي إندستريز" في كندا، إمكانية فصل المادة الماصة مغناطيسيًا عن الماء واستعادتها بسرعة بعد كل استخدام. وتُعالج عملية الاستعادة المغناطيسية عائقًا رئيسيًا أمام التطبيق التجاري، إذ إذا تعذّر استعادة المادة وإعادة استخدامها بكفاءة، تصبح تكاليف التشغيل باهظة عند التوسع في الإنتاج.
شهدت عملية الإنتاج تحسناً ملحوظاً. إذ يقوم الفريق الآن بإنتاج المادة في درجة حرارة الغرفة باستخدام مدخلات أقل تكلفة. ويقول الباحثون إن تكاليف الإنتاج انخفضت بنحو 75% مقارنةً بالإصدارات السابقة. ويمكن إعادة استخدام المادة عدة مرات.
المسارات التجارية والسياق التنظيمي
دخلت جامعة RMIT في مفاوضات تجارية أولية مع شركة Fire and Test Australasia، وهي شركة مملوكة للسكان الأصليين مقرها في جيلونج، فيكتوريا. تستهدف هذه الشراكة معالجة مياه الأمطار ومياه الصرف الصحي، بما في ذلك التطبيقات على مستوى المجتمعات المحلية. كما يتعاون الباحثون مع مجموعة Star Water Group، التي تضم قائمة عملائها شركات تشغيل في السوق الأمريكية.
يحمل هذا التركيز الأمريكي منطقًا خاصًا. فقد شددت الهيئات التنظيمية الأمريكية معاييرها المتعلقة بكل من الجزيئات البلاستيكية الدقيقة ومركبات PFAS في السنوات الأخيرة. ويتزايد الطلب على خيارات المعالجة المتقدمة بين المشغلين في البلديات والقطاعات الصناعية الذين يواجهون ضغوطًا للامتثال للحدود الجديدة. إن الجمع بين الأداء العالي في الاحتجاز والتكلفة المنخفضة للاستخلاص المغناطيسي يمنح هذا النهج جدوى تجارية في هذا السياق.
تتمتع هذه التقنية بإمكانات كبيرة في الأنظمة اللامركزية. تفتقر العديد من المناطق إلى بنية تحتية لمعالجة النفايات على نطاق واسع. ويمكن لمادة تعمل بسرعة، وتُستعاد بكفاءة عالية، ويمكن إنتاجها بتكلفة أقل، أن تخدم المجتمعات الصغيرة والمناطق النائية حيث تكون محطات المعالجة التقليدية غير عملية.
موقف هذا الأمر
تستند النتائج المنشورة حتى الآن إلى اختبارات معملية ونماذج أولية. ويتطلب الانتقال من الأداء المختبري إلى التطبيق الكامل على نطاق بلدي أو صناعي مجموعة مختلفة من التحديات الهندسية والتنظيمية. وقد أقرّ الباحثون بأن الشركاء التجاريين يدرسون هذه المسائل حاليًا.
يتزايد تداخل التلوث البلاستيكي والتلوث الكيميائي المستمر كأحد الشواغل التنظيمية والاستثمارية. وتواجه شركات المرافق العامة ومصانع النسيج ومستخدمو المياه الصناعية ضغوطًا متزايدة لإثبات فعالية استراتيجيات المعالجة. إن مادة تعالج الجزيئات البلاستيكية الدقيقة والنانوية والمعادن الثقيلة ومركبات PFAS في آن واحد، وفي غضون فترات زمنية يمكن للمشغلين استخدامها فعليًا، ستكون قابلة للتطبيق على نطاق واسع في مختلف القطاعات إذا تطابقت نتائجها على أرض الواقع مع البيانات المختبرية.
