در حالی که آلودگی منابع آب به ترکیبات پایدار و خطرناک موسوم به PFAS به یکی از بحرانهای جدی زیستمحیطی جهان تبدیل شده است، گروهی از پژوهشگران بینالمللی با توسعه یک جاذب الکتروشیمیایی نوآورانه، گامی مهم در مسیر حذف این آلایندههای مقاوم برداشتهاند. این فناوری تازه که بر پایه ترکیب گرافن و MXene طراحی شده، نویدبخش تحولی اساسی در تصفیه آب و کاهش تهدیدات سلامت عمومی برای میلیاردها نفر در سراسر جهان است.
شکار آلایندههای ابدی با مکسین (MXene)؛ پایان سلطه آلایندههای فلوئوردار
پژوهشگران دانشگاه نرمال هانگژو (Hangzhou Normal University)، شرکت مهندسی محیطزیست استان ژجیانگ (Zhejiang Province Environmental Engineering Co.)، شرکت مهندسی محیطزیست هانگژو هنگجون (Hangzhou Hengjun Environmental Engineering Co.)، شرکت فناوری کاهش کربن ژجیانگ (Zhejiang Carbon Reduction Technology Co.)، دانشگاه پرنسس نوره بنت عبدالرحمن (Princess Nourah bint Abdulrahman University)، دانشگاه بینالمللی کیمیو در تاشکند (Kimyo International University in Tashkent)، دانشگاه دولتی اورگنچ (Urgench State University) و دانشگاه اسلامی مدینه (Islamic University of Madinah) در یک همکاری مشترک موفق به ساخت الکترود تقویتشده با گرافن شدهاند که قادر است آلایندههای پایدار موسوم به مواد پرفلوئوروآلکیل و پلیفلوئوروآلکیل (Per- and Polyfluoroalkyl Substances – PFAS) را با کارایی بالا از آب حذف کند.
PFAS که به «آلایندههای ابدی» شهرت یافتهاند، ترکیباتی فلوئوردار هستند که در برابر تجزیه طبیعی مقاومت میکنند، در منابع آب و زنجیره غذایی تجمع مییابند و با خطرات جدی برای سلامت انسان و محیط زیست همراهاند. روشهای متداول تصفیه، مانند فیلترهای کربنی یا غشاهای فیلتراسیون، نهتنها کارایی محدودی در حذف کامل این ترکیبات دارند، بلکه خود موجب تولید پسماند ثانویه میشوند.
در این پژوهش، تیم علمی ساختاری نوین با عنوان MXene@rGO–LDH یا به اختصار MGL طراحی کرده است. در این ساختار، صفحات دولایه Ti₃C₂Tₓ MXene که از هم جدا شدهاند، بهوسیله گرافن اکسید کاهشیافته (reduced graphene oxide – rGO) از بازچسبی مجدد مصون مانده و در عین حال با لایهای از هیدروکسید دولایه نیکل–آهن (NiFe layered double hydroxide – LDH) پوشانده شدهاند. حضور rGO مانع از فشردهشدن مجدد لایههای MXene شده و مسیرهای باز یونی و تخلخل سلسلهمراتبی ایجاد میکند. افزون بر این، گرافن کاهشیافته رسانایی فلزی ساختار را احیا کرده و با ایجاد نواحی π آبگریز، زنجیرههای فلوئوردار را بهسوی خود جذب میکند. لایه LDH نیز با فراهمآوردن بارهای مثبت، در شرایط اعمال ولتاژ پایین ۱.۲ ولت، به جذب آنیونها کمک میکند.
نتایج آزمایشها نشان میدهد این ماده نوآورانه از سینتیک جذب شبهمرتبه دوم برخوردار است و نرخ اولیه جذب آن به ۱۵.۹۳ میلیگرم بر گرم در دقیقه میرسد؛ رقمی که بهمراتب بالاتر از MXene خالص گزارش شده است. مدلسازی ایزوترم لانگمویر نیز حداکثر ظرفیت جذب برای ترکیب پرفلوئورواکتانوئیک اسید (Perfluorooctanoic acid – PFOA) را ۱۱۹.۵۲ میلیگرم بر گرم برآورد کرده که تقریباً دو برابر ظرفیت MXene معمولی با مقدار ۶۴.۵۵ میلیگرم بر گرم است.
کارایی حذف این سامانه در شرایط مختلف pH نیز قابل توجه بوده است؛ بهطوریکه در pH برابر با ۴، بازده حذف به ۹۸.۴۵ درصد میرسد و حتی در محیط قلیایی با pH برابر با ۱۰ نیز ۸۶.۳۹ درصد از آلاینده حذف میشود. این سامانه همچنین در حضور ۱ میلیمولار نیترات سدیم و ۱۰ میلیگرم بر لیتر اسید هیومیک، عملکرد قابل قبولی نشان داده و به حذف ۵۶ درصدی دست یافته است؛ موضوعی که بیانگر مقاومت آن در برابر مزاحمتهای یونی و مواد آلی طبیعی در آبهای واقعی است.
از منظر پایداری و قابلیت استفاده مجدد، پژوهشگران فرآیند بازیابی را با اعمال بایاس معکوس در محلول اتانول و نیترات سدیم انجام دادهاند. نتایج نشان میدهد پس از ۱۰ چرخه استفاده، حدود ۷۰ درصد ظرفیت جذب اولیه همچنان حفظ میشود که برای کاربردهای عملی رقم امیدوارکنندهای است. بررسیهای میکروسکوپ الکترونی روبشی، پراش پرتو ایکس و طیفسنجی فوتوالکترون پرتو ایکس نیز پایداری ساختاری این الکترود را تأیید کردهاند. همچنین طیفسنجی در شرایط اعمال ولتاژ، نحوه هماهنگی میان LDH و PFOA و نقش شبهخازنی rGO و MXene را در فرآیند جذب روشن ساخته است.
به باور پژوهشگران، این طراحی مبتنی بر گرافن میتواند مسیر توسعه سامانههای مقیاسپذیر برای حذف PFAS را هموار کند و پاسخی علمی به بحران جهانی کیفیت آب ارائه دهد؛ بحرانی که میلیاردها نفر را در معرض تهدید قرار داده است. اگر این فناوری بتواند از مرحله آزمایشگاهی به تولید صنعتی راه یابد، چشمانداز تازهای برای تصفیه پایدار و کمهزینه آب آشامیدنی در جهان ترسیم خواهد شد.
