يمكن لجزيئات الكربون الصغيرة القيام بهذه المهمة

استكشف العديد من الروايات والأفلام المستقبلية كيف يمكن أن يبدو العالم بدون ماء. لكن ندرة المياه ليست مشكلة للمستقبل البعيد: إنها موجودة بالفعل.

حددت الأمم المتحدة للمياه في تقريرها لعام 2021 حجم الأزمة: يعيش 2.3 مليار شخص في البلدان التي تعاني من الإجهاد المائي و 733 مليونًا منهم في “البلدان المرتفعة والتي تعاني من إجهاد مائي خطير”.

في عام 2018 كيب تاون ، حيث أعيش وأجري بحثي ، وجد السكان أنفسهم يحدقون في “اليوم صفر” ، عندما تنضب إمدادات المياه المنزلية. لقد نجت الأمطار الغزيرة من المدينة الواقعة في جنوب إفريقيا ، ولكن الآن تواجه أجزاء أخرى من البلاد تنبؤات رهيبة مماثلة بصنابير فارغة.

هذا السيناريو يهدد بالانتشار في جميع أنحاء أفريقيا. في منطقة القرن الأفريقي ، على سبيل المثال ، شهدت مناطق واسعة من إثيوبيا والصومال وكينيا مرور أربعة مواسم مطيرة متتالية دون هطول أمطار جيدة. إن ظهور “المدن الكبرى” في إفريقيا – مع انتقال الملايين إلى مناطق المدن – يفرض مزيدًا من الضغوط على البنية التحتية المحدودة بالفعل.

والأزمة تمتد إلى ما هو أبعد من القارة الأفريقية.

لا يوجد حل واحد لهذه الحقيقة المروعة. سيكون من الضروري اتباع نهج متعدد الجوانب ، كما أوضحت تجربة كيب تاون.

ستكون التكنولوجيا جزءًا أساسيًا من حل أزمة ندرة المياه العالمية. يمكن للحلول التكنولوجية أن تدير سلسلة كاملة من أبسط ، مثل كاشفات تسرب المياه للمنازل ، إلى طرق متطورة للغاية ، مثل طرق سحب الرطوبة من الهواء لإنتاج مياه شرب نظيفة ، أو تحويل المياه المالحة الوفيرة على كوكب الأرض إلى مياه عذبة.

في ورقة بحثية حديثة ، أوجزت أنا وزملائي تقنية أخرى يمكن أن تكون قوية: المواد النانوية الكربونية ، والتي ثبت أنها تزيل الملوثات العضوية وغير العضوية والبيولوجية من الماء.

التلوث يهدد مصادر المياه

التلوث هو أحد العوامل التي تضغط على مصادر المياه. تحتوي جميع مصادر المياه على بعض الميكروبات ومسببات الأمراض. لكن النفايات الصناعية مشكلة كبيرة: المركبات تطلق ملوثات المعادن الثقيلة ، على سبيل المثال ، وتصريف المناجم الحمضي يتسرب إلى مصادر المياه. ينتج عن هذا تلوث المياه الجوفية والسطحية التي لا يمكن استخدامها بأمان في معظم الأنشطة البشرية ، ناهيك عن شرب أو غسل الطعام.

اقرأ المزيد: الحياة البحرية في خليج جنوب إفريقيا مليئة بالملوثات الكيميائية

بعض التقنيات الحالية تجعل معالجة المياه باهظة الثمن. البعض الآخر ببساطة لا يصلون إلى الوظيفة ولا يستطيعون إزالة الكائنات الحية الدقيقة. في إزالة الملوثات العضوية مثل النفايات الصيدلانية والأصباغ العضوية والبلاستيك والمنظفات من مياه الصرف الصحي ، على سبيل المثال ، تم العثور على بعض التقنيات التقليدية مثل الترشيح الغشائي غير مرغوب فيه.

وهنا يأتي دور المواد النانوية الكربونية. مع الآخرين ، أستكشف استخدامها ووجدت أنها أكثر كفاءة وصالحة اقتصاديًا من المواد التقليدية.

المواد النانوية

يتم تعريف المواد النانوية على نطاق واسع على أنها مواد تحتوي على جسيمات يتراوح حجمها بين 1 و 100 نانومتر (نانومتر). النانومتر الواحد يساوي واحدًا من المليار من المتر. تتكون المواد النانوية المختلفة من ذرات مختلفة – بعضها ، مثل تلك التي أبحث عنها ، تتكون من ذرات كربون.

يعتبر الكربون ، بالكتلة ، ثاني أكثر العناصر وفرة في جسم الإنسان بعد الأكسجين. إنه أيضًا عنصر مشترك في كل أشكال الحياة المعروفة. تعد التقنيات النانوية الكربونية صديقة للبيئة لأنها تنطوي على مخاطر أقل للتلوث الثانوي مقارنة ببعض المواد الماصة (المواد الصلبة المستخدمة لإزالة الملوثات من السائل أو الغاز).

تم تصميم المواد النانوية الكربونية هندسياً في شكل مادة متناهية الصغر ، وقد أشاد بها العديد من العلماء حول العالم لخصائصها الفيزيائية والكيميائية الفائقة. يتم تقديرها بشكل متزايد لقدرتها على إزالة المعادن الثقيلة من الماء بفضل مساحة سطحها الكبيرة وقدراتها على الامتصاص وحجمها النانوي وخصائصها الكيميائية.

لقد ثبت أن جميع المواد النانوية الكربونية فعالة في معالجة مياه الصرف الصحي.

معالجة ندرة المياه

أنا أعمل مع المواد النانوية المغناطيسية المغلفة بالكربون. يلعب هذا المركب المخلوط دورًا مهمًا في تطهير المياه. في نفس الوقت يزيل المواد مثل المعادن الثقيلة. وهذا يجعلها مثالية لمعالجة المياه ، كما هو الحال بالنسبة لاستعادتها السهلة والسريعة وإعادة التدوير ، وذلك بفضل ما يُعرف بالفلترة المغناطيسية. في هذه العملية ، يتم استعادة المواد النانوية المغناطيسية المضافة إلى المياه الملوثة بعد معالجتها بمغناطيس قوي خارجي. يمكن تجديد المواد المسترجعة وإعادة استخدامها مرة أخرى.

لا تزال المواد النانوية القائمة على الكربون تعاني من أوجه قصور. تميل المواد النانوية إلى التكتل معًا في جزيئات كبيرة ، مما يقلل من قدرتها على امتصاص (جذب وحبس) الملوثات. ولا يتم دائمًا استرداد الجسيمات النانوية بالكامل من المياه المعالجة ، مما يؤدي إلى تلوث ثانوي. ما زلنا غير متأكدين من كيفية فصل المواد النانوية المستنفدة – المستخدمة بالكامل – عن المياه المعالجة.

يستمر العمل في مختبرنا وغيره في جميع أنحاء العالم. العلماء يكرهون الجداول الزمنية ، لأن الاختراقات نادراً ما تحدث في المواعيد النهائية المحددة. لكن نأمل أن يتم إحراز المزيد والمزيد من التقدم باستخدام المواد النانوية القائمة على الكربون في السنوات القادمة ، مما يمنح العالم أداة مهمة لمعالجة ندرة المياه.