تنقية المياه الملوثة بالمبيدات وإنتاج الهيدروجين النظيف في عملية واحدة
طور باحثون في كلية العلوم بجامعة ولاية أوريجون، محفزًا ثنائي الغرض ينقي المياه الملوثة بمبيدات الأعشاب بينما ينتج الهيدروجين أيضًا.
يعد المشروع، الذي شمل باحثين من كلية الهندسة في جامعة ولاية أوهايو وشركة HP Inc مهمًا لأن تلوث المياه يمثل تحديًا عالميًا كبيرًا، والهيدروجين وقود نظيف ومتجدد.
تم نشر نتائج الدراسة، التي استكشفت العوامل الحفازة النشطة ضوئيًا ، في مجلة ACS Catalysis .
وقال كيرياكوس ستيليانو من جامعة ولاية أوهايو: “يمكننا الجمع بين الأكسدة والاختزال في عملية واحدة لتحقيق نظام تحفيز ضوئي فعال”، “الأكسدة تحدث عن طريق تفاعل التحلل الضوئي، والاختزال من خلال تفاعل تطور الهيدروجين.”
المحفز هو مادة تزيد من معدل التفاعل الكيميائي دون أن تخضع نفسها لأي تغيير كيميائي دائم.
المحفزات الضوئية عبارة عن مواد تمتص الضوء للوصول إلى مستوى طاقة أعلى ويمكنها استخدام هذه الطاقة لتفكيك الملوثات العضوية من خلال الأكسدة. من بين العديد من تطبيقات المحفزات الضوئية الطلاءات ذاتية التنظيف للجدران والأرضيات والسقوف والأثاث المقاومة للبقع والروائح.
قاد ستيليانو ، أستاذ الكيمياء المساعد ، الدراسة ، التي تضمنت محفزات ضوئية لثاني أكسيد التيتانيوم مشتقة من إطار معدني عضوي ، أو MOF .
تتكون الأطر العضوية المعدنية من أيونات معدنية موجبة الشحنة محاطة بجزيئات “رابط” عضوية ، وهي مواد بلورية مسامية ذات خصائص هيكلية قابلة للضبط ومسام نانوية. يمكن تصميمها بمجموعة متنوعة من المكونات التي تحدد خصائص الأطر العضوية المعدنية.
عند تكليس الأطر العضوية المعدنية – تسخين عالي بدون ذوبان – يمكن توليد مواد شبه موصلة مثل ثاني أكسيد التيتانيوم، ثاني أكسيد التيتانيوم هو المحفز الضوئي الأكثر استخدامًا، ويوجد في معادن أناتاز، وروتيل والبروكيت.
اكتشف الفريق، أن المحفز المخدر بالنيتروجين والكبريت كان أفضل محفز ضوئي “عصفورين ، حجر واحد” لإنتاج الهيدروجين في نفس الوقت وإفساد مبيدات الأعشاب غليفوسات المستخدمة بكثرة.
تم رش الجليفوسات، المعروف أيضًا باسم N-phosphonomethyl glycine أو PMG ، على نطاق واسع في الحقول الزراعية على مدار الخمسين عامًا الماضية منذ ظهوره لأول مرة في السوق تحت الاسم التجاري Roundup.
قال ستيليانو، فقط نسبة صغيرة من إجمالي كمية PMG المطبقة تأخذها المحاصيل، والباقي يصل إلى البيئة”، “يتسبب ذلك في مخاوف بشأن تسرب مادة PMG إلى التربة والمياه الجوفية، كما ينبغي أن تكون المياه الملوثة ضارة بصحة كل كائن حي على هذا الكوكب، ومبيدات الأعشاب التي تتسرب إلى قنوات المياه هي السبب الرئيسي لتلوث المياه.”
من بين مجموعة المركبات التي يوجد فيها الهيدروجين، الماء هو الأكثر شيوعًا، وإنتاج الهيدروجين عن طريق تقسيم الماء عبر التحفيز الضوئي هو أكثر نظافة واستدامة من الطريقة التقليدية لاشتقاق الهيدروجين – من الغاز الطبيعي عبر عملية إنتاج ثاني أكسيد الكربون المعروفة كإصلاح بخار الميثان.
يخدم الهيدروجين العديد من الأغراض العلمية والصناعية بالإضافة إلى أدواره المتعلقة بالطاقةن يستخدم في خلايا الوقود للسيارات وفي صناعة العديد من المواد الكيميائية بما في ذلك الأمونيا وفي تكرير المعادن وإنتاج البلاستيك.
قال ستيليانو: “الماء مصدر غني للهيدروجين، والتحفيز الضوئي هو وسيلة للاستفادة من الطاقة الشمسية الوفيرة للأرض لإنتاج الهيدروجين والمعالجة البيئية”، “نحن نظهر أنه من خلال التحفيز الضوئي، من الممكن إنتاج وقود متجدد مع إزالة الملوثات العضوية، أو تحويلها إلى منتجات مفيدة.”
اختبر التعاون الذي شمل طالب الدراسات العليا إيمانويل موسى وباحث ما بعد الدكتوراه سومانديب كور والطلاب ترينتون غالاغر وتاو مي أنتوني أيضًا محفزه الضوئي ضد المياه الملوثة بمبيدات أعشاب أخرى تستخدم كثيرًا ، وهما جلوفوسينات الأمونيوم وحمض ثنائي كلورو فينوكسي أسيتيك.
عملت على المياه التي تحتوي عليها أيضًا – حتى الماء بهذين المركبين بالإضافة إلى PMG.
