فريق بحث أمريكي يطور مادة إسفنجية لالتقاط العناصر الأرضية النادرة من المياه الصناعية

طور باحثون أمريكيون مادة إسفنجية لالتقاط العناصر الأرضية النادرة من المياه الصناعية. لا ينظر فريق الجامعة السويسرية إلى المياه الصناعية على أنها مادة تحتاج إلى معالجة فحسب، بل يعتبرونها مصدرًا يمكن استرداد المواد الثمينة منها. قد تفتح هذه الابتكارات في النهاية إمكانية استرداد المعادن الأساسية ذات الإمدادات المحدودة في مناطق مختلفة. قال الأستاذ كارل ف. هاسمان من قسم الهندسة المدنية والبيئية في الجامعة السويسرية، والمؤلف المراسل لهذه الدراسة، لي تشي لين: "يمكننا أن نبدأ في رؤية المياه الصناعية كمصدر يحتوي على مواد ثمينة قابلة للاسترداد، وليس مجرد شيء يحتاج إلى معالجة".

تقنية الإطارات العضوية المعدنية

يبدو أن مفهوم الكيمياء التناسقية المعدنية بسيط، لكنه في الواقع ليس سهلاً. بالإضافة إلى العناصر الأرضية النادرة، تحتوي المياه الصناعية أيضًا على معادن أخرى مثل الحديد والصوديوم والألمنيوم، والتي تكون تركيزاتها أعلى بكثير. تجعل هذه التركيزات العالية من الصعب فصل العناصر الدقيقة، مما يتداخل غالبًا مع الاسترداد الانتقائي للمعادن الثمينة والنادرة. للتغلب على هذا التحدي، استند الباحثون إلى مبادئ الكيمياء التناسقية لبناء غشاء مسامي للغاية. تستخدم هذه الطريقة الإطارات العضوية المعدنية (MOFs)، وهي مواد إسفنجية عالية المسامية تتكون من ربط ذرات المعادن مع جزيئات عضوية.

بعد ذلك، قام العلماء بتعديل الجدران الداخلية للمسام الصغيرة كيميائيًا لتحسين الأداء.

في التجارب، تم تعديل MOF المستقر في الماء مع الليغاند العضوي، حمض الفوسفونيك ميثيل ثنائي الإيثيل (PMIDA). داخل المسام الصغيرة لـ MOF، يعمل PMIDA كخطاف كيميائي، يرتبط بقوة مع أيونات العناصر الأرضية النادرة الموجبة الشحنة. استخدم فريق البحث هذه المادة فائقة المسامية لاختبار قدرة التقاط ثلاثة معادن نادرة، وهي النيوديميوم والموليبدينوم والثوريوم. عند أعلى تركيز لليغاند، يمكن لـ PMIDA التقاط ما يصل إلى 160 ملغ من النيوديميوم و175 ملغ من الموليبدينوم و195 ملغ من الثوريوم لكل غرام من المادة. هذه القدرات الاستردادية تزيد على الأقل عن ضعف الكميات المبلغ عنها سابقًا باستخدام طرق مشابهة.

زيادة كمية ليغاند PMIDA عززت الأداء العام للمادة، من خلال تغيير مواقع الربط المتاحة لتعزيز أدائها بشكل أكبر.

أظهرت النتائج المحاكاة أن إضافة ليغاند إضافي سمحت لمجموعات الربط بالتجمع حول أيون الأرض النادرة الفردي داخل المسام. تشكل هذه الترتيبات مركبات أقوى وأكثر استقرارًا، مما يعزز السعة والثبات الهيكلي. قال البروفيسور ليو: "ما هو مثير للاهتمام بشكل خاص هو أننا لا نستطيع فقط رؤية ما إذا كانت المادة قد التقطت العناصر الأرضية النادرة، بل يمكننا أيضًا فهم السبب وراء ذلك. من خلال دمج التجارب مع المحاكاة الجزيئية، يمكننا النظر داخل المسام وفهم كيف يغير تغيير عدد الليغاندات طريقة ارتباط هذه الأيونات".

قدرة المادة على الالتقاط الانتقائي

اكتشاف آخر مهم هو أن هذه المادة قادرة على التقاط المعادن الأرضية النادرة بشكل انتقائي وفعال في وجود مواد غير مرغوب فيها (مثل الحديد). تشير التقارير البحثية إلى أنه حتى عندما يكون تركيز الحديد 100 ضعف تركيز العناصر الأرضية النادرة، فإن كمية الامتصاص للعناصر الأرضية النادرة لا تزال تنخفض بنحو 0.3%. في اختبار واحد، كانت كمية امتصاص العناصر الأرضية النادرة أقل بنحو 0.3% فقط مقارنة بعدم وجود الحديد. بالإضافة إلى تقنية الالتقاط، فحص الباحثون أيضًا إطلاق العناصر الدقيقة. يمكن استخراج العناصر الدقيقة بسهولة باستخدام حمض الهيدروكلوريك المخفف، مما يسمح بإعادة استخدام المواد الثمينة.

هذه مجرد بداية، وهناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحسين انتقائية المادة ومتانتها وقدرتها على التجديد خلال عملية الاستخراج. ومع ذلك، لا يزال الفريق متفائلًا بشأن MOFs، حيث قد توفر هذه المواد بدائل أكثر استدامة لطرق استخراج العناصر الأرضية النادرة باستخدام المذيبات السائلة. تم نشر هذه الدراسة في مجلة ACS Applied Materials & Interfaces.

إمكانات المواد الإسفنجية في إعادة التدوير البيئي

تظهر هذه الدراسة التطبيق الابتكاري للمواد الإسفنجية في معالجة المياه الصناعية، خاصة في استرداد العناصر الأرضية النادرة. مع زيادة الطلب العالمي على العناصر الأرضية النادرة، تواجه طرق الاستخراج التقليدية تحديات تتعلق بالتأثير البيئي وإهدار الموارد. لا تلتقط هذه المادة الجديدة العناصر الأرضية النادرة بفاعلية فحسب، بل تحافظ أيضًا على كفاءتها في وجود معادن أخرى، مما يظهر إمكاناتها في التطبيقات العملية. ستعمل الأبحاث المستقبلية على تعزيز أدائها لمواجهة الطلب المتزايد على استرداد الموارد.