نظام ترشيح جديد يزيل “المواد الكيميائية الدائمة” من الماء مصنوعة من الحرير الطبيعي والسليلوز

يقدم نظام ترشيح متطور طوره باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الأمل في إزالة “المواد الكيميائية الدائمة” الضارة – الملوثات الخطيرة التي ابتليت بها إمدادات المياه على مستوى العالم لعقود من الزمن.

وتستمر هذه الملوثات طويلة الأمد، المعروفة باسم PFAS، في البيئة وقد تسببت في تلويث مصادر المياه في جميع أنحاء العالم.

وكشفت دراسة حديثة أجراها مركز السيطرة على الأمراض في الولايات المتحدة أن 98% من الأشخاص الذين تم اختبارهم لديهم مستويات يمكن اكتشافها من PFAS في مجرى الدم، مما يسلط الضوء على شدة التلوث.

وتم نشر الدراسة كاملة في مجلة ACS Nano .

النطاق المزعج لتلوث PFAS

توجد المواد الكيميائية PFAS في مجموعة واسعة من المنتجات، بما في ذلك مستحضرات التجميل، وتغليف المواد الغذائية، والملابس المقاومة للماء، ورغوة مكافحة الحرائق، وأواني الطهي غير اللاصقة. وفي الولايات المتحدة وحدها، يقدر عدد المواقع الملوثة بهذه المواد الكيميائية بنحو 57 ألف موقع.

ووفقا لوكالة حماية البيئة، فإن تكلفة معالجة المياه لتلبية اللوائح التي تحد من PFAS إلى أقل من 7 أجزاء لكل تريليون في مياه الشرب قد تصل إلى 1.5 مليار دولار سنويا.

وأشار يلين تشانج، الباحث في مرحلة ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إلى أن التلوث بمركبات PFAS والمركبات المماثلة “يشكل في الواقع مشكلة كبيرة للغاية، وقد لا تحل الحلول الحالية هذه المشكلة إلا جزئيًا بكفاءة أو اقتصاديًا”K”لهذا السبب توصلنا إلى هذا الحل الطبيعي بالكامل القائم على البروتين والسليلوز”.

اكتشاف عرضي

نجح باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بقيادة تشانج والبروفيسور بينيديتو ماريلي، في تطوير مادة ترشيح جديدة مصنوعة من الحرير الطبيعي والسليلوز.

تظهر هذه المادة الهجينة إمكانات كبيرة في إزالة مركبات PFAS الثابتة والمعادن الثقيلة من الماء مع توفير خصائص مضادة للميكروبات لتقليل تلوث الفلتر.

نُشر البحث في مجلة ACS Nano ويتضمن مساهمات من باحثي ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هوي صن، ومينغ لي، وطالب الدراسات العليا ماكسويل كالينوفسكي، والخريج الجديد يونتنج كاو، الذي يعمل الآن باحثًا ما بعد الدكتوراه في جامعة ييل.

“لقد توصلنا إلى هذا المشروع بالصدفة”، كما أشار ماريلي. في البداية، تم تطوير هذه التكنولوجيا لغرض غير ذي صلة – وهو إنشاء نظام تصنيف لمكافحة انتشار البذور المقلدة.

مادة هجينة ذات خصائص مميزة

ابتكر الفريق طريقة لمعالجة بروتينات الحرير وتحويلها إلى بلورات نانوية موحدة الحجم، تُعرف باسم الألياف النانوية، باستخدام طريقة صديقة للبيئة تعتمد على الماء في درجة حرارة الغرفة.

افترض تشانغ أن ألياف الحرير النانوية هذه قد تكون فعالة في تصفية الملوثات، لكن المحاولات المبكرة باستخدام الحرير وحده باءت بالفشل. قرر الفريق تجربة إضافة السليلوز، وهي مادة متوفرة بسهولة ومشتقة من نفايات لب الخشب الزراعي.

ومن خلال دمج السليلوز في الألياف النانوية القائمة على الحرير وضبط الشحنة الكهربائية، تمكن الباحثون من تطوير مادة هجينة ذات خصائص مميزة، بما في ذلك إزالة الملوثات بشكل ملحوظ والقدرات المضادة للميكروبات.

منافس جديد في مجال تنقية المياه

وأشار ماريلي إلى أن “هذه المواد قادرة بالفعل على التنافس مع المواد القياسية الحالية في تنقية المياه عندما يتعلق الأمر باستخراج أيونات المعادن والمواد الملوثة الناشئة، كما يمكنها أيضًا التفوق على بعضها حاليًا”.

وأظهرت الاختبارات المعملية أن المواد الهجينة قادرة على إزالة الملوثات بشكل أكثر فعالية من المواد القياسية مثل الكربون المنشط.

ويمكن أن تكون نتائج الفريق بمثابة دليل على صحة المفهوم لتطبيقات أوسع نطاقًا. وكما يقترح تشانج، يمكن استخدام المادة أولاً كمرشح عند نقطة الاستخدام، مثل ملحق لصنابير المطبخ.

وفي نهاية المطاف، يمكن توسيع نطاق هذه التقنية لتشمل ترشيح المياه البلدية، مع الأخذ في الاعتبار الاختبارات الشاملة لضمان عدم وجود مخاطر التلوث .

وأضاف تشانغ أن إحدى المزايا المهمة لهذه المادة هي أن الحرير والسليلوز من المواد الصالحة للأكل، مما يجعل التلوث الضار غير محتمل إلى حد كبير.

وأشار تشانج إلى أن “معظم المواد العادية المتاحة اليوم تركز على فئة واحدة من الملوثات أو تحل مشاكل منفردة. وأعتقد أننا من أوائل من يعالجون كل هذه المشاكل في وقت واحد”.

أنظمة تنقية المياه المتقدمة

ورغم أن هذا الاكتشاف يعد خطوة أولى واعدة، فإن الفريق يعمل بالفعل على تحسين متانة المادة واستكشاف مصادر بروتينية بديلة لضمان قابلية التوسع.

وسيكون تحسين عمر المادة ومقاومتها للتآكل أمرًا بالغ الأهمية لتطبيقها على نطاق واسع في أنظمة تنقية المياه في العالم الحقيقي، وخاصة في المناطق ذات مصادر المياه الملوثة بشدة.

ووفقا لماريلي، في حين يمكن الحصول على بروتينات الحرير كمنتج ثانوي لصناعة المنسوجات الحريرية، فإن البدائل قد توفر حلولا أقل تكلفة وأكثر وفرة لاحتياجات تنقية المياه العالمية.

ولذلك، يجري النظر في بدائل مثل البروتينات النباتية أو الاصطناعية، والتي يمكن أن توفر حلولاً أقل تكلفة وأكثر وفرة لتلبية احتياجات تنقية المياه العالمية دون المساس بالأداء أو الاستدامة.

ويمكن لهذه المواد البديلة أيضًا أن تساعد في توسيع نطاق التكنولوجيا، مما يضمن أن تتمكن حتى المناطق ذات الموارد الأقل من الاستفادة من أنظمة الترشيح المتقدمة.