تُفقد كميات كبيرة من الفوسفور (P) على مستوى العالم في مياه الصرف الصحي. وقد تم تقدير هذه الكمية بحوالي 1.5 مليون طن في عام 2010، ومن المتوقع أن تصل إلى بين 1.6 و2.4 مليون طن بحلول عام 2050. بالإضافة إلى النيتروجين (N)، يُعد الفسفور من التهديدات الخطيرة لجودة وتنوع الحياة في المياه السطحية. وفي محاولة لتجنب اضرارها البيئية المحتملة، أجريت العديد من الأبحاث العلمية لامتصاص الفوسفور من مياه الصرف الصحي باستخدام مواد طبيعية.
وفي هذا الإطار، فقد تمكن باحثون من مركز الدراسات والبحوث البيئية من ابتكار مواد صديقة للبيئة ذات قدرات عالية على امتصاص الفوسفور باستخدام المغنيتيت أو أكسيد الحديد الأسود (Magnetite) العماني الطبيعي (MG) المعدل باللانثانوم (La).

الفسفور والمياه الملوثة

يُشكل الفوسفور في مياه الصرف الصحي والمياه الملوثة مشكلة بيئية جسيمة. فغالبًا ما ينشأ من الجريان السطحي الزراعي والمياه العادمة من الصناعة ومياه الصرف الصحي، ويتسرب فائضه إلى الأنهار والبحيرات والمياه الساحلية. ورغم أهمية هذا العنصر الغذائي لنمو النباتات، إلا أن تركيزه بنسب عالية قد يؤدي إلى ازدهار طحالب ضارة وأضرار صحية جسيمة. كما يؤدي ارتفاع نسبة الفسفور إلى استنفاد الأكسجين من الماء، مما يضر بالحياة المائية ويُخل بالنظم البيئية. إضافةً إلى ذلك، تُنتج بعض الطحالب سمومًا تُشكل خطرًا على الحياة البرية والبشر على حد سواء. يُعقّد وجود الفوسفور في مصادر المياه عمليات معالجة المياه ويزيد من تكاليفها، لذا، تُعد الإدارة الفعالة لاستهلاك الفوسفور والحد منه أمرًا بالغ الأهمية لحماية جودة المياه والصحة البيئية.

من صخور طبيعية إلى مرشحات عالية الكفاءة

بدأ البحث بعينة معدنية طبيعية من رواسب أكسيد الحديد الأسود العماني الطبيعي. عولجت هذه المادة الخام بإضافة اللانثانوم (La) بتراكيز مختلفة من حيث الوزن: تركيز 5% وأطلق عليه (MG-La-5) وتركيز 15% وأطلق عليه (MG-La-15) وتركيز 35% وأطلق عليه (MG-La-35). كان الهدف من هذه الخطوة هو الحصول على مواد ذوات أسطح معدلة تحتوي على أكسيد الحديد المعدل لتعزيز قدرته على امتصاص الفوسفور.
بعد ذلك، اختبر الفريق مدى قدرة هذه المواد على امتصاص الفوسفور في تجارب معملية مُحكمة. وكانت النتائج ممتازة، إذ بلغت قدرة امتصاص أكسيد الحديد المعدل باللانثانوم بتركيز 35% (35MG-La-) أكثر من (50.7 مغ/غ)، وهي أعلى بكثير من قدرة مادة أكسيد الحديد "غير المعدل" على الامتصاص والتي بلغت (12.4 مغ/غ) فقط، وفاقت على قدرة الامتصاص بواسطة أكسيد الحديد المعدل بتركيز 5% (MG-La-5) والتي بلغت (24.3 مغ/غ)، وقدرة امتصاص أكسيد الحديد المعدل بتركيز 15% (MG-La-15) والتي بلغت (34.5 مغ/غ).
وعلى ضوء النتائج السابقة، تأكدت أهمية أكسيد الحديد المعدل باللانثانوم في امتصاص الفسفور، حيث تمكنت من امتصاص كميات عالية من الفوسفور عند اختبارها على مياه الصرف الصحي الحقيقية، مع نسبة امتصاص بلغت (47.3 مع/غ)، واختبار قدرتها على الامتصاص تحت ظروف ديناميكية باستعمال خزان متحرك ومستمر التفاعل، حيث بلغت نسبة الامتصاص (33.8 مغ/غ).

كيف تعمل؟ 

بين الباحثون أن امتصاص الفوسفور يتم عبر تفاعلات محفزة فيزيائية وكيميائية تحتوي على:
1.    قوى كهروستاتيكية تعتمد على جذب أيونات الفوسفات (PO4) على سطح المواد المعدلة.
2.     روابط كيميائية بين المجموعات الوظيفية للانثانوم والهيدروكسيل (OH) على سطح المواد المعدلة والفوسفور. 

يُظهر هذا العمل إمكانية تطوير أكسيد الحديد الأسود العماني من مصادر طبيعية إلى مواد متقدمة لامتصاص الفوسفور من مياه الصرف الصحي وإعادة استخدامه في الزراعة بشكل مستدام. تُساعد هذه النتائج في معالجة مشكلة تلوث المياه الرئيسية، وكذلك تفتح آفاقًا جديدة لاستخدام المعادن المحلية في التقنيات البيئية.

• أحمد بن عبدالله بن خميس الرئيسي- باحث مساعد بمركز الدراسات والبحوث البيئية