في إطار دعمها للبحث العلمي والابتكار في مجالات الكيمياء التطبيقية وتقانات النانو، ناقش قسم الكيمياء في كلية التربية للعلوم الصرفة/ابن الهيثم – جامعة بغداد أطروحة الدكتوراه الموسومة “تخليق متراكبات نانوية مغناطيسية جديدة واستخدامها في معالجة صبغة التيراسيل السوداء والرصاص والملوثات البيولوجية من المياه الصناعية”، المقدمة من الطالب علي فاضل إسماعيل فياض، وبإشراف الأستاذة الدكتورة انتصار عليوي لعيبي.
وهدفت الأطروحة إلى تخليق متراكبات نانوية مغناطيسية مبتكرة تتمتع بكفاءة عالية في إزالة صبغة التيراسيل السوداء وأيونات الرصاص والملوثات البيولوجية من المياه الصناعية، بما يسهم في تطوير تقنيات حديثة وفعالة لتنقية المياه وإعادة استخدامها، والحد من الآثار البيئية والصحية الناجمة عن تصريف الملوثات الصناعية، فضلاً عن تعزيز الاستخدام المستدام للموارد المائية.
وتألفت لجنة المناقشة من:
- أ.د. أحلام محمد فرحان – رئيساً.
- أ.د. جمان أحمد ناصر – عضواً.
- أ.م.د. الدكتورة إيناس حسين علي – عضواً.
- أ.م.د. تغريد باقر علوان – عضواً.
- أ.م.د. خالدة عبيد سماوي – عضواً.
- أ.د. انتصار عليوي لعيبي – عضواً ومشرفا.
ويعكس هذا البحث اهتمام القسم نحو معالجة القضايا البيئية ذات الأولوية، وتطوير حلول علمية مبتكرة تعتمد على تقانات النانو لمعالجة الملوثات الصناعية، بما يعزز دور الجامعة في دعم التنمية المستدامة وخدمة المجتمع والقطاع الصناعي.
ويسهم هذا البحث بصورة مباشرة في تحقيق الهدف السادس من أهداف التنمية المستدامة (المياه النظيفة والنظافة الصحية) من خلال تطوير تقنيات لمعالجة المياه الصناعية وتحسين جودتها، كما يدعم الهدف التاسع (الصناعة والابتكار والهياكل الأساسية) عبر توظيف تقانات النانو في ابتكار حلول متقدمة لمعالجة التلوث، ويسهم في الهدف الثالث (الصحة الجيدة والرفاه) من خلال الحد من الملوثات التي تهدد صحة الإنسان، فضلاً عن دعمه الهدف الثاني عشر (الاستهلاك والإنتاج المسؤولان) عبر تعزيز الإدارة المستدامة للموارد وتقليل الآثار البيئية للنشاط الصناعي، والهدف الرابع (التعليم الجيد) من خلال دعم البحث العلمي وإعداد باحثين يمتلكون الكفاءة في إيجاد حلول للتحديات البيئية المعاصرة.
تُقدم هذه الأطروحة توليف وتوصيف وتطبيق المتراكبات النانوية الثلاثية المبنية على المتراكب الثنائي أوكسيد الجرافين المُختزَل/المغنتايت (rGO/Fe3O4) والمترابطة مع الجسيمات النانوية لـ SnO2 و ZrO2 و MnO2، والمشار إليها بالرموز r/F/S و r/F/Z و r/F/M على التوالي. تضمن التوليف عدة مراحل، بدءاً من تحضير صفائح أوكسيد الجرافين (GO) عبر طريقة همر المعدَّلة، تليها عملية الاختزال إلى أوكسيد الجرافين المُختزَل (rGO).
تشكلت المتراكبات النانوية الثنائية (r/F) rGO/Fe3O4 عن طريق الترسيب المشارك لأيونات Fe (II) و(III)Fe بوجود rGO. بعد ذلك، تم تحضير الجسيمات النانوية لثنائي أوكسيد المعادن (MOX NPs) من SnO2 و ZrO2 و MnO2 عبر الترسيب والكلسنة من محاليل الاملاح المعدنية. تم خلط MOX NPs مغناطيسياً مع r/F لإنتاج متراكبات نانوية ثلاثية r/F/S و r/F/Z و r/F/M.
تم إجراء توصيف شامل باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه )FT-IR(، حيث أظهرت انزياحات في قمم الامتصاص التي تشير إلى تفاعلات قوية بين r/F وMOX. كشف تحليل المجهر الإلكتروني الماسح للانبعاث (FESEM) عن هياكل rGO أحادية الطبقة مع جسيمات نانوية Fe3O4 وMOX مشتّتَة بشكل جيد. أكد تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) الاطوار المتبلورة بشكل جيد وبمتوسط الأحجام البلورية المحسوبة عبر معادلة ديباي-شيررعلى أنها 11.18 نانومتر (r/F) و24.4 نانومتر (r/F/S) و15.98 نانومتر (r/F/Z) و19.75 نانومتر (r/F/M). أكد التحليل الطيفي للأشعة السينية المُشتِتة للطاقة (EDS) تكوين العناصر، مما يؤكد مصفوفة الكربون مع دمج FeوSn وZr وMn . أظهرت الخصائص المغناطيسية التي تم تحليلها بواسطة تحليل مقياس المغناطيسية للعينة الاهتزازية (VSM) أن المغناطيسية الحديدية لـ Fe3O4 تضاءلت في المتراكبات النانوية الثلاثية بسبب وجود rGO وMOX غير المغناطيسيّين.
شملت التحليلات البصرية أطياف التألق الضوئي، حيث أظهر كل من r/F/S وr/F/M انبعاثات قوية، بينما أظهر r/F/Z انبعاثاً ضعيفاً. تم قياس أطياف الامتصاص والنفاذية والانعكاس من (200-1100) نانومتر، وتم تحديد فجوات النطاق البصري للتحولات المباشرة المسموح بها على أنها 3.15 الكترون فولت (r/F/S) و2.43 الكترون فولت (r/F/Z) و2.61 الكترون فولت (r/F/M)، مقارنةً بفجوات النطاق البصري لـ MOX (SnO2= 3.6 الكترون فولت ،ZrO2 = 5.0 الكترون فولت ،MnO2= 3.0 الكترون فولت). تباين مُعامل الاندثار ومُعامل الانكسار وثوابت العزل الكهربائي الحقيقية والخيالية باختلاف البنية النانوية وطاقة الفوتون للمتراكبات النانوية الثلاثية.
قام التحليل الحراري الوزني (TGA) وتحليل مسعريّة المسح التفاضلي (DSC-DTA) بتقييم الاستقرار الحراري؛ أشار TGA إلى مراحل فقدان الوزن، مع ثبات جيد فوق 50 درجة مئوية. تم قياس مساحة السطح وحجم المسام وقطر المسام باستخدام بيانات امتزاز النيتروجين التي تم تحليلها باستخدام نماذج BET و Langmuir و plot- t و BJH.
استهدفت دراسات الامتزاز إزالة صبغة تيراسيل السوداء (TB) من عينات مياه الصرف الصحي لمصنع الكوت للنسيج. انخفض تركيز الصبغة الأولي (10 جزء في المليون) إلى 1.67 جزء في المليون (r/F/S) و2.08 جزء في المليون (r/F/Z) و3.75 جزء في المليون (r/F/M) بعد الامتزاز. كانت أوقات الاتزان 60 دقيقة لـ r/F/S و r/F/M، و 40 دقيقة لـ r/F/Z. كانت سعات الامتزاز 78.75 مجم\جم (r/F/S)، و56.25 مجم\جم (r/F/Z)، و50.42 مجم\جم (r/F/M) عند 298 كلفن. اتبعت الحركية نموذج الدرجة الثانية الكاذبة مع معاملات ارتباط عالية (R² > 0.99). كانت طاقة التنشيط هي أدنى قيمة لـ r/F/S (0.68 كيلوجول\مول)، مما يشير إلى سهولة الامتزاز. أشار ايزوثيرم الحرارة من النوع S في تصنيف جيلز وملائمة نموذج فرندليش إلى امتزاز متعدد الطبقات غير متجانس. أظهرت الديناميكا الحرارية عملية ماصّة للحرارة مع قيم موجبة في تغيرات المحتوى الحراري والانتروبي، وظهر الامتزاز التلقائي من خلال زيادة طاقة جبس الحرة السالبة مع الزيادة في درجة الحرارة. كان الرقم الهيدروجيني الأمثل حامضياً قليلاً إلى متعادل. أدت زيادة القوة الأيونية للمحلول إلى تقليل سعة الامتزاز.
وبالمثل، تم فحص عملية امتزاز أيونات الرصاص الثنائية Pb2+ باستخدام عينات مياه الصرف الصحي من الشركة العامة للصناعات الكهربائية والإلكترونية في الوزيرية، مع انخفاض التراكيز الأولية البالغة 0.27 جزء في المليون إلى 0.052 جزء في المليون (r/F/S) و0.083 جزء في المليون (r/F/Z) و0.108 جزء في المليون (r/F/M). كانت أوقات الاتزان الأقل لـ r/F/S (30 دقيقة). كانت سعات الامتزاز 33.96 مجم\جم (r/F/S)، و25.21 مجم\جم (r/F/Z)، و24.37 مجم\جم (r/F/M). تم تطبيق النموذج الحركي من الدرجة الثانية الكاذبة ونموذج ايزوثيرم الحرارة فرندليش. كانت طاقات التنشيط (r/F/S = 9.26 ، r/F/Z = 23.98،و r/F/M = 26.54) كيلو جول\مول. اقترحت الديناميكا الحرارية عملية امتزاز ماصّة للحرارة وغير تلقائية لأيونات Pb²⁺ مع قيمة موجبة لطاقة جبس الحرة والتي تتضاءل مع ارتفاع درجة الحرارة. كانت تأثيرات الرقم الهيدروجيني والقوة الأيونية مشابهة لعملية امتزاز الصبغة.
تم تقييم عملية التحلل الضوئي لإزالة صبغة (TB) من عينات مياه الصرف الصحي لمصنع الكوت للنسيج باستخدام المتراكبات النانوية الثلاثية المحضّرة والمنشطّة بعد وضعها في الظلام لمدة (60 دقيقة) للحصول على حالة الاتزان (الامتزاز\الانتزاز)، ثم تم تعريضها للأشعة فوق البنفسجية مباشرةً باستخدام كابينة تعرضت لنظام التشعيع يدوياً بوجود مصباح الأشعة فوق البنفسجية بقوة (15) واط بطول موجي (200 نانومتر – 400 نانومتر) وعلى مسافة (10 سم) من مصباح الأشعة فوق البنفسجية. وكانت نتائج تراكيز صبغة (TB) في عينات المحلول بعد استخدام عملية التحلل الضوئي في ظل الظروف المثلى مع التركيز الأولي للمحلول قبل المعالجة (10 جزء في المليون) هي (r/F/S=0.025جزء في المليون،=r/F/Z0.416 جزء في المليون، و=r/F/M1.167 جزء في المليون). كان وزن التحميل الأمثل للمحفِّز 0.15 جم، مما يعزز مساحة السطح النشطة وتوليد الجذور الحرة. أدى زيادة تركيز الصبغة إلى تقليل عملية التحلل الضوئي بسبب عملية حجب امتصاص الضوء. درجات الحرارة المرتفعة سرَّعت حركية التحلل الضوئي. كان الرقم الهيدروجيني الأمثل حامضياً قليلاً إلى متعادل. وصف النموذج الحركي من الدرجة الأولى الكاذبة التفاعلات، مع أعلى قيمة لثابت سرعة التفاعل لـ r/F/S. كانت طاقات التنشيط (r/F/S = 22.59، r/F/Z =25.27 و r/F/M = 28.77) كيلو جول\مول، مما يعني التحفيز الضوئي الفعّال والفيزيائي المدفوع بالامتزاز. أكدت المُعلَمات الديناميكية الحرارية تفاعلات التحفيز الضوئي الماصة للحرارة والتلقائية، مع تغيرموجب في الإنتروبي تشير إلى زيادة العشوائية وقيم الطاقة الحرة السالبة لجبس. أظهر التحليل المُقارَن أن عملية التحلل الضوئي تجاوزت عملية الامتزاز لكفاءة إزالة الصبغة، مع ترتيب النشاط: r/F/S > r/F/Z > r/F/M.
أخيراً، أظهرت دراسة النشاط الحيوي للمتراكبات النانوية ضد الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض (موجبة الجرام، سالبة الجرام، والفطريات المسببة للأمراض) المعزولة من مياه الصرف الصحي للمدبغة من مدبغة جلود مالك في مدينة النهروان أن المتراكب النانوي r/F/M كان أكثر فعالية ضد جميع الكائنات الحية الدقيقة المُختبَرة مقارنةً بالمتراكبات النانوية الأخرى قيد الدراسة، ولكن بدرجات مختلفة من الحساسية.
