تطبيق تقنية النانو في إزالة المبيدات من المحاليل المائية

تستخدم المبيدات على نطاق واسع في الإنتاج الزراعي في جميع أنحاء العالم لحماية النباتات من الآفات والفطريات والأعشاب الضارة لذلك ، تنتشر بقايا مبيدات الآفات على نطاق واسع في مياه الشرب ، والمياه الجوفية ، والتربة .

مخلفات مبيدات الآفات لها تأثيرات بيئية كبيرة على النظم الإيكولوجية المائية والثدييات .

فيما يتعلق بنوعية المياه المخصصة للاستهلاك البشري ، يحدد توجيه مياه الشرب لأي مبيد وحيد ، و 0.5 ميكروغرام / لتر لمجموع جميع مبيدات الآفات التي تم اكتشافها وقياسها من خلال الرصد ، بغض النظر عن الخطر أو الخطر .

تم تطوير طرق مبتكرة لمعالجة المياه لإنشاء أنظمة أكثر كفاءة. وقد اجتذبت تقنية النانو الكثير من الاهتمام في الآونة الأخيرة ، لا سيما في المجتمعات البحثية والصناعية.

النانوتكنولوجي هو تطوير واستخدام تركيب والأجهزة مع يتراوح حجمها من 1 نانومتر إلى حوالي 100 نانومتر حيث تحدث خواص فيزيائية وكيميائية وبيولوجية جديدة مقارنة بنظيراتها الأكبر مثل الحجم الصغير للغاية ونسبة السطح إلى نسبة الحجم العالية والتغير السطحي والخصائص المغناطيسية الممتازة .

هناك مجموعة واسعة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية التي تصنع المرشح المحدد للمواد النانوية والوسائط التفاعلية لإزالة المبيدات.

التطبيقات الحالية لإزالة المبيدات: ١/الامتصاص الكيميائي أنابيب الكربون النانوية(CNTs) الجرافين (G) أكاسيد المعادن Nanocrystalline والترشيح وتآكل التربة.

أنابيب الكربون النانوية(CNTs) تقنية شديد التطور ، وهي عبارة عن اسطوانات فارغة في شكل انابيب بحجم النانومتر و تتكون كم مجموعة ضخمة من الهياكل السداسية التي بدورها من الذراع الكربون . والكربون نانوتيوب ظاهرة فيزيائية ثم رصدها عام ١٩٩١ في شركة NEC للصناعات الإلكترونية في اليابان بواسطة العالم سومري ليجميا حينما كان يدرس الرماد النائج عن عملية التفريغ الكهربائي بين قطبين من الكربون باستخدام ميكروسكوب إلكتروني عالي الكفاءةولاحظ ليجما أن هناك بعض اللمعان أو البريق داخل هذا الرماد فاعتقد أن الكربون تحول إلى ماس فقرر فحصة بطريقة جيدة.

استخدام سوميرليجيما الميكروسكوب الإلكتروني لفحص الرماد ووجد أن جزيئات الكربون في وضع غير طبيعي حيث انه المفترض أن يكون ترتيب جزيئات الكربون كما في الشكل التالي :

الأنابيب النانوية الكربونية فئة جديدة من المواد النانوية وتتكون من كربونات الجرافيت مع واحد أو عدة نبيبات متحدة المركز .

إن الأنابيب النانوية الكربونية مثل الأنابيب النانوية أحادية الجدار(SWNTs) والأنابيب النانوية متعددة الجدران (MWNTs) ، هي جزيئات ضخمة فريدة ذات بنية أحادية البعد ، وثبات حراري وخصائص كيميائية خاصة.وقد ثبت أن هذه المواد النانوية لديها إمكانات جيدة لإزالة أنواع مختلفة من المبيدات تتأثر قدرة امتصاص الملوثات من قبل الأنابيب النانوية الكربونية بشكل أساسي بهيكل المسام ووجود طيف واسع من المجموعات الوظيفية السطحية التي يمكن تحقيقها بواسطة تعديلات كيميائية أو حرارية لتحسين الأداء.

قد تشمل الامتصاص الكيميائي المواد الكيميائية العضوية على الأنابيب النانوية الكربونية آلية واحدة أو أكثر ، مثل تأثير مسعور ، الرابطة التساهمية ، تفاعلات π-، ، ارتباط هيدروجيني ، وتفاعلات كهروستاتيكية.

يحدث من خلال الرابطة الهيدروجينية بين مجموعات وظيفية مثل - COOH ، -OH ، -NH2 والجزيئات العضوية. الجذب الكهربائي هو واحد من آليات الامتصاص التي يسبب امتصاص بعض المواد الكيميائية العضوية مثل المضادات الحيوية والأصباغ في درجة الحموضة مناسبة على CNTs functionalized

يمكن للمجموعات الوظيفية تغيير قابلية تغطية أسطح CNTs وجعلها أكثر حموضة ومناسبة لامتصاص الوزن الجزيئي المنخفض نسبيا والمركبات القطبية

الجرافين هو نوع من المواد النانوية التي اجتذبت اهتماما كبيرا في تنقية المياه ومختلف المجالات بسبب خصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة. تظهر بعض الدراسات تطبيقات الجرافين كممتص لإزالة المبيدات.

يتميز الجرافين بقدرات امتصاصية كبيرة لمبيدات الآفات (تتراوح بين 600 إلى 2000 مجم / جم). •المواد اللازمة لتحسين قدرة امتزاز المبيدات. تم استخدام السيليكا المغلفةGCS كمادة ماصة عالية الفعالية لإزالة المبيدات الفوسفورية العضوية المتبقية من الماء.

توضح هذه الدراسة أن آلية امتزاز الـ OPPs على GCS تعتمد على قدرات التبرع بالإلكترونات من P ، S ، و N ، وشبكة الترابط القوية من حلقات بنزين.

أكاسيد المعادن Nanocrystalline هي فعالة للغاية لمجموعة واسعة من المبيدات الحشرية. أكاسيد المعادن مثل أكاسيد الحديد وأكاسيد المنغنيز وأكاسيد الألومنيوم وأكاسيد التيتانيوم وأكاسيد المغنيسيوم وأكاسيد السيريوم هي مواد ماصة فعالة ومنخفضة التكلفة.

تم تطبيق مواد لمجموعة واسعة من مبيدات الآفات بسبب ارتفاع قدرة الامتصاص ، والحركية بشكل أسرع بسبب ارتفاع مساحة السطح ، ومسافة الانتشار بين الجسيمات الأقصر وعدد أكبر من مواقع التفاعل السطحي بالمقارنة مع نظرائهم التجاريين غير النانو .

أكاسيد المعادن النانومترية لا تمتز فقط ولكن أيضا تدمر العديد من المخاطر الكيميائية عن طريق تحويلها إلى منتجات ثانوية أكثر أمانًا تحت نطاق واسع من درجات الحرارة .

درس بعض الباحثين إزالة المبيدات بواسطة الجزيئات النانوية المغناطيسية المعدلة ذات الجسيمات النانوية ذات الصدفة تظهر كفاءة عالية الامتصاص ومعدل عالٍ لإزالة الملوثات .
C18 Fe3O4 core-shell nanoparticle هو الجسيمات النانوية المغناطيسية الأكثر شيوعًا لإزالة المبيدات.

وهي مناسبة لاستخراج أو تنظيف المبيدات القطبية غير القطبية والمعتدلة القبلية بسبب قدرتها على الفصل المناسبة والثبات الممتاز ، والتشغيل المريح.

الترشيح الدقيق NFهو أحدث تقنية للترشيح الغشائي. (nanofiltration( NFهو نوع من الغشاء الذي يحركه الضغط مع خصائص بين التناضح العكسي ( OR) والترشح الفائق (UF) ,إنها تكنولوجيا واعدة لإزالة الملوثات العضوية الخطرة العضوية ، مثل المبيدات الحشرية والأصباغ والعديد من المنتجات الأخرى.

اعتمادا على المتطلبات ، تقدم بعض الشركات المصنعة أغشية ترشيح الجسيمات النانوية لاستهداف جزيئات مختلفة على أساس وزنها الجزيئي.

العوامل التي تؤثرعلى إزالة المبيدات من الأغشية NF 1/ دور خصائص الأغشية:الخصائص الفيزيائية والكيميائية للغشاء المختارهي عامل مهم لإزالة المبيد. عند اختيارغشاء مناسب فإن المعلمات الهامة التي يجب وضعها في الاعتبار هي خفض الوزن الجزيئي (MWCO)ودرجة التحلل والمسامية والمواد الغشائية يشيع استخدام معظم قطع الغشاء الجزيئي (MWCO) ، وهو الوزن الجزيئي للمذاب الذي يقابل الاحتفاظ بنسبة 90 ٪ ، كمقياس لخصائص الاحتفاظ بأغشية.

تأثير خصائص المبيدات على الاحتفاظ: يتأثر رفض مبيدات الآفات بأغشية الترشح الفاذق بالوزن الجزيئي والحجم ، القطبية (عزم ثنائي القطب) ، ثابت التفكك الحمضي و hydrophobicity / hydrophobicity الحجم الجزيئي هو المعلمة الرئيسية التي تحدد استبقاء الجزيئات العضوية مع NF.الترشح الفائث.

أظهرت بعض الدراسات أن ميغاواط يمكن استخدامه في التنبؤ بالرفض للمركبات غير المشحونة وغير القطبية. توجد علاقة إيجابية بين رفض أحد عشر مبيداً مع أوزانها الجزيئية.

أكد بعض الباحثين أن الحجم ليس المعلمة الوحيدة التي تؤثر على رفض مبيدات الآفات: شكل الجزيء يؤثر على خصائص الامتصاص للأغشية اما العامل الثالث فهو تاثير مركبات المياه المغذية. فخواص مياه التغذية التي من ضمنها الرقم الهيدروجيني ph والقوة الايونية ووجود المواد العضوية لها تاثير على إزالة المبيدات. فالرقم الهيدروجيني للمياه المغذية يمكن ان يؤثر على خواص الغشاء وبخاصه على شحنة الغشاء بسبب تشكل المجموعات الوظيفية التي لها دور في تمدد وانكماش فتحات الغشاء. فكلما زاد الرقم الهيدروجيني قل معدل إزالة الملوثات والعكس صحيح. اما زيادة القوة الايونية فيحسن من إزالة الملوثات.

كما ان نوع المواد العضوية الطبيعية الموجودة في المياه يؤثر على فعالية إزالة المبيدات فبعض المواد العضوية تسهل عملية إزالة المبيدات وبعضها الاخر يؤدي الى صعوبة ازالتها.


اما العامل الرابع فهو تأثير انسداد الغشاء. يعتبر انسداد الغشاء المعضلة الأساسية لعمليات الغشاء الفعال بسبب انخفاض الجريان وزيادة تكلفة العمليات وقصر حياة الغشاء. خلال العمليات بعض المواد الموجودة في مصدر المياه مثل الاملاح،المواد العضوية الطبيعية،المواد الميكروبية الذائبة والمواد الغروانية(colloid) يمكن ان تمتص وتتراكم وتتكدس على سطح الغشاء مما يؤدي الى انسداده وبالتالي تحتبس المواد الملوثة مثل المبيدات ويصعب ازالتها.

الطريقة الثالثة من طرق إزالة المبيدات بالنانو هي الانحلال (degradation) ويمكن ان تقسم الى عمليتين الأولى عملية الحديد المكافئ لصفر (zero-valent ion) والثانية عملية التحفيز الضوئي (photocatalysis) .

في السنوات الحالية أصبحت عملية الحديد المكافئ لصفرتستخدم بكثرة لإزالة الملوثات بسبب سهولتها وفعاليتها كما ان لها القدرة على إزالة العديد من المبيدات بشتى أنواعها بخاصة مبيدات النتيتروجين التي تتحلل بسرعة باستخدام هذه العملية لكن يعيبهاانها غير فعالة في إزالة مبيدات السايكلودايين

عملية التحفيز الضوئي : هي عملية صديقة للبيئة تستخدم في إزالة عدد كبير من الملوثات العضوية وهي مناسبة في المعالجة للملوثات السامة والغير قابلة للتحلل. ويتم فيها التحفيز الضوئي لسطوح صلبة شبه موصلة عن طريق الاشعاع سواء بالأشعة فوق البنفسجية او ضوء الطاقة الشمسية.

وينتج عن ذلك تكون الالكترونات الموصلة والشحنات السطحية الموجبة. ويؤدي ذلك الى تسريع تفاعلات الاكسدة والاختزال التي تعد خطوة أساسية لتحليل الملوثات. ويوجد العديد من المواد شبه الموصله المستخدمة في عملية التحفيز الضوئي ومن اكثرها استخداما مادة ثنائي أكسيد التيتانيوم بسبب قلة سميتها واستقرارها الكيميائي وقلة التكلفة.

بقايا المبيدات التي تم اكتشاف وجودها في مختلف المياه الطبيعية بالعديد من الدول تشكل قلقا خاص بسبب الاضرار الصحية الناتجة عنها. وتعتبر مشكلة مستجدة في الدول النامية وتحتاجرالى حل فعال. وتمثل تقنية النانو احد الحلول لها ولا زال العلماء يطورون من تقنية النانو في هذا المجال ويقدمون مزيد من الدراسات عن فوائدها او إمكانية وجود مخاطر او سلبيات لها.


































تعليقات

المشاركات الشائعة من هذه المدونة

النانو في طب الأسنان: اكتشاف الجمال المصغّر؟

إستخدام تقنية النانو في تطوير المياة و معالجة مياة الصرف الصحي

جزيئات النانو لمعالجة البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية