من النفايات البلاستيكية إلى مرشحات المياه
© Photo / Unsplash/ FlyD
تابعنا عبر
طوّر باحثون روس طريقةً لتحويل نفايات "البولي إيثيلين تيريفثاليت" (PET) إلى أطر معدنية عضوية مسامية قادرة على احتجاز الملوثات من المياه والغازات، مع احتمالية أن تكون تكلفتها أقل بكثير من المواد التجارية المماثلة.
عادةً ما تُصنَّف الزجاجات البلاستيكية، وعبوات الطعام، وأقمشة البوليستر، والمخلفات الصناعية ضمن مشكلات إدارة النفايات، غير أن باحثين من جامعة تومسك للفنون التطبيقية (Tomsk Polytechnic University)، بالتعاون مع شركاء دوليين، وجدوا طريقة لتحويل جزء من هذه النفايات إلى مادة ذات قيمة أعلى بكثير: مواد مسامية لتنقية المياه والغازات.
وقد طوّر الفريق عملية كيميائية لإنتاج أطر معدنية عضوية (تُعرف اختصاراً بـ MOFs) انطلاقاً من مادة "البولي إيثيلين تيريفثاليت"، وتُعد هذه الأطر موادَّ بلورية تتكون من عناصر معدنية وجزيئات عضوية؛ إذ يحتوي هيكلها على أعداد هائلة من المسام المجهرية التي تجعلها تعمل -إلى حد ما- مثل "إسفنجات جزيئية".
وتتيح هذه المسام للأطر المعدنية العضوية احتجاز مواد محددة أو فصلها أو التفاعل معها، ولهذا السبب تُجرى عليها دراسات لاستخدامها في عمليات الترشيح، وفصل الغازات، والتحفيز الكيميائي.
لماذا تُعد مادة البولي إيثيلين تيريفثاليت مفيدة؟
تُعتبر هذه المادة بالفعل واحدة من أكثر أنواع البلاستيك قابلية لإعادة التدوير؛ إذ يمكن لعمليات إعادة التدوير التقليدية تفكيكها إلى وحداتها الكيميائية البنائية الأصلية أو معالجتها ميكانيكياً لتحويلها إلى منتجات بلاستيكية جديدة.
غير أن تكرار إعادة التدوير الميكانيكي يؤدي تدريجياً إلى تدهور خصائص المادة -مثل المتانة واللزوجة- في حين أن القيمة الاقتصادية للمادة الناتجة غالباً ما تشهد زيادة طفيفة فقط.
لذا، سعى الباحثون إلى اتباع نهج مختلف؛ تبدأ طريقتهم بطحن نفايات PET وتحويلها إلى حبيبات يقل حجمها عن مليمتر واحد، ثم وضعها في وسط تفاعل كيميائي. تنتج عن هذه العملية مركبان مفيدان -هما حمض 2-نيتروتيريفثاليك وحمض 2-يودوتيريفثاليك- يمكن استخدامهما لاحقاً لتصنيع الأطر المعدنية العضوية (MOFs).
دمج خطوتين معقدتين في خطوة واحدة
يكمن التحسين الجوهري في تبسيط العمليات الكيميائية، ففي العادة، تتطلب عملية تعديل "حمض التيريفثاليك" المستخلص من مادة PET عدة مراحل منفصلة؛ إذ يتم أولاً تفكيك البوليمر، ثم عزل المنتج الوسيط وتنقيته، وفقط بعد ذلك يتم إدخال مجموعة كيميائية وظيفية جديدة.
أما الطريقة الجديدة فتجمع بين مرحلتي تفكيك مادة (PET) والتعديل الكيميائي ضمن عملية تفاعل واحدة.
ووفقاً لأولغا غوسيلنيكوفا من جامعة تومسك للفنون التطبيقية، فإن هذا الأسلوب يقلل من عدد مراحل المعالجة، ويلغي الحاجة إلى عزل وتنقية العديد من المواد الوسيطة، كما يتطلب معدات أقل، وهذا يقلل بشكل مباشر من تعقيد عملية الإنتاج وتكلفتها.
اختبارات تتجاوز مجرد البلاستيك المخبري النقي
تكون تقنية إعادة التدوير أكثر فائدة بكثير إذا كان بإمكانها التعامل مع النفايات الواقعية، وليس فقط مع عينات مُجهزة بعناية، لذا اختبر الباحثون الطريقة على أشكال متعددة من نفايات البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET)، بما في ذلك حاويات الطعام، وبلاستيك الزجاجات، والنفايات الصناعية، وأقمشة البوليستر الزرقاء والحمراء، ومخاليط من (PET) ع البولي إيثيلين.
وقد قاموا بضبط درجة حرارة التفاعل ومدته وكميات المواد المتفاعلة لتعظيم إنتاجية المركبات الكيميائية المستهدفة قبل تصنيع الأطر المعدنية العضوية (MOFs)، وحافظت المواد الناتجة على الخصائص الرئيسية المتوقعة من الأطر المعدنية العضوية التجارية، بما في ذلك التبلور، والمسامية الدقيقة، والاستقرار الحراري.
أهمية فارق التكلفة
يمكن أن تكون الأطر المعدنية العضوية (MOFs) مواد عالية الفعالية، إلا أن استخدامها على نطاق أوسع قد يواجه قيوداً بسبب تكلفة المكونات الكيميائية اللازمة لتصنيعها، وقد حسب الباحثون أن طريقتهم المستمدة من نفايات (PET) يمكن أن تخفض تكلفة المركبات المحتوية على مجموعات "النيترو" بمقدار يتراوح بين خمسة وسبعة أضعاف مقارنة بنظيراتها التجارية، أما بالنسبة للمركبات المحتوية على اليود، فقد كان الانخفاض المقدر أكبر بكثير، حيث تراوح بين 75 و80 ضعفاً.
ولا يعني هذا بالضرورة أن أنظمة الترشيح الكاملة ستصبح أرخص بمقدار 80 ضعفاً بشكل تلقائي؛ فالأرقام تشير تحديداً إلى تكلفة المكونات الكيميائية المعنية، وليس العملية الصناعية بأكملها. ومع ذلك، فإن خفض سعر هذه المواد الأولية قد يجعل عمليات التنقية القائمة على الأطر المعدنية العضوية أكثر عملية بكثير.
