عنوان الرسالة : دراسة حركية – ترموديناميكية لامتزاز أيونات الفوسفات والخلات على سطوح الخارصين / الالمنيوم (Zn/Al) النانوية ثنائية الهيدروكسيد
يعد الماء عنصرًا أساسيًا في البيئة ومهمًا لاستمرار الحياة، إلا أن تلوثه يمثل خطرًا كبيرًا على الكائنات الحية وصحة الإنسان. يمكن أن يؤدي التلوث إلى تغييرات في الخصائص الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية للماء. مما يجعله غير صالح للاستخدام ويؤثر سلبًا على البيئة والصحة. ومن أبرز مصادر التلوث الكيميائي طرح المياه الصناعية في الأنهار والبحار. والتي تحتوي على ملوثات عضوية وغير عضوية مثل المعادن الثقيلة والمركبات العضوية المعقدة.
يحدث تلوث المياه الصناعية غالبًا نتيجة لاستخدام المواد الكيميائية في العمليات الصناعية المختلفة، حيث تطرح في البيئة دون معالجة مناسبة. ومن بين هذه المواد، توجد مركبات عضوية مثل الفينولات والمركبات العطرية، إضافة إلى مركبات غير عضوية مثل الرصاص والزنك والمعادن الثقيلة الأخرى التي تعرف بسميتها وخطورتها العالية. وقد تؤثر هذه الملوثات في جودة المياه وتسبب أضرارًا بيئية وصحية جسيمة، فضلًا عن تعقيد عمليات المعالجة.
تم تطوير عدة طرق لمعالجة هذه الملوثات، منها التبادل الأيوني، الأكسدة الكيميائية والضوئية، التناضح العكسي، ويحدث على سطوح المواد المسامية مثل الكربون المنشط، الزيوليت، أكسيد الألمنيوم، والسيليكا جل. وتعد طريقة الامتزاز من أكثر الطرق فعالية، نظرًا لقدرتها العالية على إزالة ملوثات مختلفة من المياه الصناعية بطريقة اقتصادية وفعالة بيئيًا.
امتزاز
يعرف بأنه عملية تجمع الجزيئات أو الأيونات الذائبة من محلول ما على سطح مادة صلبة تدعى المادة المازة (Adsorbent)، بينما تعرف المادة التي يتم امتصاصها بالمادة الممتزة (Adsorbate). يمكن أن يحدث بين أطوار مختلفة للمادة (صلب-صلب، صلب-سائل، صلب-غاز، إلخ). ويعزى حدوثه إلى قوى فيزيائية أو كيميائية بين سطح المادة المازة والجزيئات الممتزة. هذا التفاعل غالبًا ما يكون ناتجًا عن عدم توازن في توزيع الإلكترونات أو وجود مواقع نشطة على سطح المادة الصلبة.
كما يؤثر في عدد من العوامل الديناميكية الحرارية، مثل التغير في الطاقة الحرة (ΔG)، المحتوى الحراري (ΔH)، والتغير في الإنتروبيا (ΔS)، والتي تحسب من خلال معادلات حرارية خاصة. يمكن التعبير عن العلاقة بين هذه المتغيرات باستخدام معادلات الديناميكا الحرارية، مثل:ΔG = ΔH – TΔS. كما أن حساب المحتوى الحراري يمكن أن يتم عبر العلاقة بين كمية المادة الممتزة ودرجة الحرارة.
في سياق التوازن، يستخدم ثابت التوازن K لربط العلاقة بين الطاقة الحرة والتوازن الكيميائي. تشتق المعادلة لتأخذ الشكل:ΔG = -RT ln Kوهذا يمكّن من حساب ΔG بدلالة التركيزات عند التوازن، حيث يستخدم كل من التركيز المتبقي (Ce) والكمية الممتزة عند التوازن (Qe). تمثل هذه المعادلات أساس التحليل الحراري والديناميكي لعملية الامتزاز، وتساعد في فهم مدى فعاليته وملاءمته للتطبيقات البيئية.
أنواع الامتزاز
تظهر دراسات الامتزاز نوعين رئيسيين هما الامتزاز الفيزيائي والامتزاز الكيميائي. يعرف الامتزاز الفيزيائي، الذي يسمى أيضًا بامتزاز فاندر فالز، بأنه عملية ترتبط فيها الجزيئات الممتزة بالسطح الماز بواسطة قوى ضعيفة، مما يجعلها غير متخصصة. يتميز هذا النوع من بحدوثه في درجات حرارة منخفضة. ولا يحتاج إلى طاقة تنشيط، مما يجعله أكثر شيوعًا في التطبيقات البيئية. بالمقابل، يحدث الامتزاز الكيميائي من خلال أواصر كيميائية أكثر قوة ويحتاج إلى ظروف معينة. مثل درجة حرارة مرتفعة، مما يجعل العملية أكثر خصوصية وتخصصًا.
تتضمن القوى التي تتحكم في طبيعة التفاعل بين المادة الممتزة والسطح الماز قوى التشتت، وقوى فاندر فالز، والتداخلات ثنائية القطب، والروابط الهيدروجينية. إذا كانت القوى فيزيائية، فإن الامتزاز يعتبر فيزيائيًا، بينما إذا كانت كيميائية، فإنه يعتبر كيميائيًا. هذه العمليات تتداخل في كثير من الأحيان، حيث يمكن أن يتحول الامتزاز الفيزيائي إلى كيميائي عند ارتفاع درجات الحرارة.
الامتزاز من المحلول
تشمل عملية الامتزاز من المحلول تكوين طبقة جزيئية واحدة من الجزيئات الممتزة على سطح المادة المازة، مما يسمح بوجود طبقات إضافية في المحلول. يعود تاريخ هذا المفهوم إلى القرن الثامن عشر. حيث وجد أن بعض المواد الصلبة تمتاز بقدرتها على الالتصاق بمكونات معينة، مما يعزز قدرتها على الامتزاز. على مر الزمن، تطورت تقنيات الامتزاز، حيث استخدمت مواد مثل السليكا جل والكربون النشط، ثم تم تصنيع الزيولات لاستخدامها في التطبيقات التجارية.
تتأثر عملية الامتزاز بعدة عوامل، بما في ذلك طبيعة المادة الممتزة، ودرجة الحرارة، وطبيعة السطح الماز، بالإضافة إلى تأثير المذيب والدالة الحامضية (pH). القاعدة العامة تشير إلى أن المواد القطبية تميل إلى الامتزاز بشكل أفضل مع المكونات الأكثر قطبية. وأن انخفاض ذوبانية المادة الممتزة في المذيب يعزز من قوته.
العمليات المتداخلة
تتداخل عمليات الامتزاز والامتصاص، حيث تعرف العملية المعاكسة للامتزاز بالابتزاز، وهي انفصال الجزيئات الممتزة عن السطح الماز. تتم هذه العملية عادة عندما تكون درجة الحرارة كافية لتفكيك قوى الترابط. يعرف أيضًا بامتصاص الجزيئات الممتزة داخل طور السطح الماز، مما يؤدي إلى ما يسمى بالتشرب. هذه العمليات تؤثر على كفاءة الامتزاز وتحديد الظروف المثلى لحدوثها. حيث تحتاج عمليات الانتشار داخل السطح إلى طاقة، مما يجعلها عادة ماصة للحرارة.
تعتبر دراسته من الجوانب المهمة في الكيمياء السطحية، حيث تستخدم لفهم كيفية تفاعل المواد الكيميائية مع أسطح المواد المختلفة. يتطلب النجاح في تطبيقات الامتزاز معرفة دقيقة بتلك العمليات والعوامل المؤثرة فيها. مما يسهم في تحسين تقنيات تنقية المياه والعمليات الصناعية.
التطبيقات العملية
تتسع تطبيقات الامتزاز في مجالات متعددة، بما في ذلك معالجة المياه، وتنقية الهواء، والعمليات الصناعية. استخدام الكربون النشط والسليكا جل كمواد مازة كان له تأثير كبير في تحسين فعالية عمليات الامتزاز. كما تم تحديث تقنياتها باستخدام مواد جديدة مثل الزيولات، مما ساهم في زيادة كفاءة هذه العمليات.
تعتبر جاذبية هذه التقنية في قدرتها على إزالة الملوثات من المحاليل، وهو ما يجعلها أساسية في الحفاظ على البيئة وضمان جودة المياه. الأبحاث المستمرة في هذا المجال تمكّن من تطوير مواد مازة جديدة وتحسين الأداء، مما يساهم في تقديم حلول فعالة لمشاكل التلوث.
ملخص الرسالة
تناولت هذه الدراسة موضوع امتزاز بعض الأيونات السالبة الملوثة للمياه على سطوح المركبات النانوية ثنائية الطبقة ثنائية الهيدروكسيد، حيث تم استخدام تقنيات متعددة لتشخيص هذه المركبات. تم استخدام طيف الأشعة تحت الحمراء لتأكيد التركيب الكيميائي، كما تم تحليل التجمعات الذرية بواسطة مجهر القوة الذرية (AFM) والأشعة السينية لتحديد المستويات البلورية ومعدل الحجم البلوري. أظهرت النتائج أن امتزاز الأيونات السالبة يتبع معادلة فرندلش، مما يشير إلى سلوك محدد في تفاعل هذه الأيونات مع المركبات النانوية.
كما تم دراسة تأثير درجة الحرارة على امتزاز الأيونات في مدى حراري من 298 إلى 318 كيلفن، حيث لوحظ أن كميته تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة. قيم الدوال الترموديناميكية أظهرت أن التفاعل كان ماصًا للحرارة، خاصة بالنسبة لأيونات الفوسفات والخلات، مع وجود قيم إيجابية لبعض النتائج مما يدل على عدم تلقائية الامتزاز في ظروف معينة. كما تم تحليل تأثير الدالة الحامضية، حيث كان أعلى في المحاليل ذات الحموضة المرتفعة.
أخيرًا، تم دراسة حركية الامتزاز للأيونات المختلفة على سطح المركبات النانوية، حيث أظهرت النتائج أن ثابت معدل الامتزاز يتزايد مع انخفاض تركيز المحلول. كما تبين أن درجة الحرارة تؤثر على قيم ثابت معدل سرعته، مما يدل على أن التفاعل يتطلب طاقة لتنشيطه. قيم طاقة التنشيط لكل نوع من الأيونات أظهرت اختلافات ملحوظة، حيث كانت أفضل نسبته لأيونات الفوسفات في النسبة المولية MR6، بينما كانت لأيونات الخلات في النسبة MR2. هذه النتائج تسلط الضوء على فعالية المركبات النانوية في تنقية المياه من الملوثات الأيونية.
