الغرافين الواعد، ... هل نقول وداعاً لتلوث المياه؟

استمع على ساوندكلاود 🎧

مع ازدياد العمليات الصناعية والتطوُّر الصناعي حول العالم تزداد كمِّيات المياه الملوَّثة على حساب المياه العذبة، ومع ارتفاع معدَّل النمو السكَّاني تزداد الحاجة لهذه المياه العذبة، لذا يعمل الباحثون دائماً على إيجاد طرق ومواد فعَّالة واقتصادية لتنقية المياه وتحليتها، ويبدو أنَّ الغرافين وبالاعتماد على الامتزاز (وهو تراكم ذرَّات أو جزيئات مائع على سطح مادة صلبة) سيكون إحدى الطرائق الواعدة.

ما هو الغرافين؟

يُعدُّ من المواد النانوية ثنائية البعد - أي المستوية - الرقيقة جدَّاً، وقد حاز اهتمام الصناعات الكيميائية والبيئية لعدَّة أسبابٍ لعلَّ أهمَّها امتلاكه سطحاً تفاعلياً كبيراً جداً يصل إلى 2630 متراً مربعاً لكلِّ غرام، إضافة إلى امتلاكه لروابط الكترونية كثيفة من النوع (بي) π * وسطح خارجيٍّ كاره للماء؛ ما يجعله من أفضل المواد المازَّة للاستخدام في عمليَّات التنقية.

للغرافين نوعان:

1- الغرافين المنتج بـ CVD**: يُستخدم في العمليّات الكيميائيّة الوظيفيّة (أي الموجَّهة لزمر وظيفية معيَّنة).

2- أكاسيد الغرافين المخفَّفة: تُستخدم للتطبيقات الكيميائيّة البيئيّة.

كيف يؤدِّي الغرافين عملية الامتزاز؟

يعود ذلك إلى منطقتيه الوظيفيَّتين اللتين تؤدِّيان هذه المهام.

1- مناطق تمتزُّ الملوِّثات العضوية العطرية، وتُصنع بحقن الكربون الكاره للماء ليشارك في روابط من النوع π.

2- مناطق عالية الطاقة تحوي تجاعيداً وشوائب وتشقُّقات، ويجري فيها ارتباط الجزيئات الخارجية بالغرافين.

وعلى الرغم من أهمِّية تجمُّع طبقات الغرافين في الماء لكنَّها في الوقت نفسه تقلِّل من أعداد المواقع الامتزازية الفعَّالة، ولتلافي هذه المشكلة نجح الباحثون في إنتاج غرافين كبريتي جيِّد الانحلال ذي فعالية امتزاز كبيرة للملوثات العضوية عن طريق معالجة الغرافين بالكبريت.

لم الكبريت؟ لأنَّ الطبقات المخفية في الغرافين العاديِّ تكون مكشوفة وجاهزة لتجري عملية الامتزاز عليها في الغرافين الكبريتي.

يُعدُّ الغرافين الكبريتي فعَّالاً مع أنَّه ليس الطريقة الوحيدة؛ إذ يمكن معالجته بالسيليكا (أوكسيد السيليكون SiO2) الذي يُستعمل فعلاً في امتصاص بعض المبيدات الحشرية.

يُركَّب الغرافين العادي وأوكسيد الغرافين على شرائح السيليكا بمعدَّلات تحميل مختلِفة لدراسة أثر معدَّل التحميل والخواص الميكروسكوبية لهذه المواد، ويُختبر "الفينانثرين" كملوِّث عضوي نموذجي لدراسة آلية تفاعل الغرافين مع الماء ولقياس كفاءة المواد الامتزازية.

تُوضِّح الصورة تحوُّل لون أوكسيد الغرافين المدعوم بالأمينوسيليكا إلى الأسود كلَّما زادت نسبة الغرافين فيه؛ فيما عبَّرنا عنه بدرجة التحميل المُمكنة.

كيف تتفاعل المواد الغرافينية مع الملوِّثات العضوية كـ "الفينانثرين"

ببساطة يتولَّى الغرافين امتزاز الملوِّثات بينما تتولَّى السيليكا تشكيل ما يُعرف بالهيكل المائي (الغطاء نفسه الذي تشكِّله جزيئات الماء حول المواد التي تنحل فيه)، ويخفِّف هذا الهيكل المائي صفة الغرافين الكارهة للماء بينما تتولَّى الإضافات كالـ APTES*** تحسين فعالية الغرافين الامتزازية عن طريق تحويل سطح الغرافين إلى سطحٍ نفوذٍ للسوائل.

لا يمتلك الفينانثرين مجموعاتٍ قطبية ويشكِّلُ مع الغرافين روابط من النوع π، أمَّا الماء الموجود على سطح الغرافين فيكون بأحد شكلين؛ إمَّا مرتبط بروابط هيدروجينية وإمَّا منجذب بروابط غير هيدروجينية ويمكن لهذا الأخير تأدية دور شوائب سطحية ومستقبلات شحنة مهمَّتها زيادة عدد حاملات الشحنة عند الغرافين - أي الثقوب - ونلاحظ في الصورة الآتية ارتباط جزيئات الماء بنوعيها وجزيئات الفينانثرين بسطح الأنواع الثلاثة من الغرافين.

وهكذا؛ فإنَّ الأداء الجيِّد للمواد المغلَّفة بالغرافين سيفتح آفاقاً جديدة في استخدام هذه المواد على نطاق صناعي واسع تبعاً لكفاءتها العالية.

والمبدأ باختصار؛ تحويل المراكز الامتزازيّة المحجوبة في الغرافين المتجمِّع إلى فعَّالة، وتعديل فعالية الامتزاز عن طريق التلاعب بالسطح الخارجي لتلك المواد بتبديل الملوِّثات بجزيئات الماء ضعيفة الارتباط محدثةً بذلك تغييرات في بنية هذا السطح، كلُّ تلك التعديلات قادت إلى نتائجَ إيجابية في استخدام هذه المواد، فهل تكون أيقونة تنقية المياه في المستقبل؟

هوامش:

(*) الرابطة π: هي الرابطة التي لها شكل مسطَّح عقدي يحتوي على الخط الفاصل بين الذرتين، وتحدث الرابطة عند حدوث تداخل جانبي بين مدارين.

(**) الـ CVD أو الترسيب الكيميائي للبخار Chemical Vapor Deposition: عملية كيميائية تُستخدم لإنتاج مواد صلبة عالية الأداء والنقاوة كالأنابيب النانوية وأشباه النواقل، وتعتمد على تشكُّل طبقة صلبة من الطور الغازي على السطح الساخن للركيزة (الطبقة الحاملة).

(***) الـ APTES أو (Aminopropyl triethoxysilane-3) أمينوبروبيل ثلاثي ثوكسيلان: مركَّب كيميائي من مشتقات الثوكسيلان وهو مركَّب يتألف من ذرة سيليكون مرتبطة بزمرة هيدروكسل –OH وثلاث جذور ميتيل –CH3

المصدر:

هنا