موسوعة علمية بحثية

المطور بالاصباغ الطبيعية في تعقيم المياه بالتحطيم الضوئي للبكتيريا ZnOاستخدام



هناك الكثير من الوسائل والطرق المستخدمة في تعقيم الماء و تنقيته من الكائنات الدقيقة. لكن كل هذه الوسائل لها آثار سلبية، من أبرزها تكوين نواتج جانبية لا تقل في خطورتها عن الملوث الأساسي. لذلك يعد استخدام الحفازات الضوئية كأكسيد الزنك (ZnO) في عمليات تعقيم الماء بديلا ملائما. و أكسيد الزنك من أشباه الموصلات التي تمتلك فجوة طاقة (band gap) واسعة (eV 3.2)، لذلك فإن عملية تهييج الالكترونات لديه تتطلب وجود الأشعة فوق البنفسجية، لكن استخدام بعض الأصباغ المثبتة على سطح جزيئات أكسيد الزنك تزيد من حساسيته للأشعة المرئية وبالتالي تمكننا من استخدام أشعة الشمس المتوفرة في عملية التحطيم الضوئي. تم في هذه الدراسة تحسين حساسية أكسيد الزنك للضوء المرئي باستخدام صبغة الأنثوسيانين الطبيعية (anthocyanin) المستخلصة من أزهار نبات الكركدية، واستخدام هذا الحفاز المطور بالصبغة في تعقيم الماء من البكتيريا عن طريق التحطيم الضوئي لها بوجود ضوء مشابه لضوء الشمس، وذلك لأن فجوة الطاقة لجزيء الصبغة صغيرة و يمتص ضمن منطقة الضوء المرئي فيساعد على تهييج أكسيد الزنك باستخدام الأشعة المرئية. تنقية الماء باستخدام هذا الحفاز أدت إلى تحطيم أكثر من 90% من البكتيريا الموجودة في عينة الماء الملوث في 90 دقيقة بوجود ضوء مشابه لضوء الشمس، إذ أظهر أكسيد الزنك المطور بالصبغة زيادة في نسبة التحطيم بحوالي 10% أكثر من أكسيد الزنك المجرد. و أظهرت التجارب التي تمت باستثناء الحفاز أو الضوء نقصا قليلا في تركيز البكتيريا في عينة الماء الملوث. لم يؤثر حجب الأشعة فوق البنفسجية التي ضمن الضوء الشمسي باستخدام فلتر ضوئي على عمل الحفاز المطور بالصبغة، بينما قلل كثيرا من فعالية أكسيد الزنك المجرد، مما يظهر دور الصبغة في زيادة حساسية أكسيد الزنك تجاه الأشعة المرئية وبالتالي زيادة فعاليته. و تم تحضير حبيبات أكسيد الزنك ذات الحجم الصغير جدا (نانو) التي يقدر قطرها ب 20 نم واستخدامها في تنقية الماء، و تشخيصها باستخدام تقنيات قياس الطيف المرئي وفوق البنفسجي و طيف اللمعان الضوئي (photoluminescence spectrometry) و XRD و SEM. كانت فعالية حبيبات أكسيد الزنك (المحفز بالصبغة وغير المحفز) ذات الحجم الصغير (نانو) أكثر من فعالية الحبيبات ذات الحجم الكبير (مايكرو)، حيث أدت إلى التحطيم الكلي للبكتيريا ضمن الظروف نفسها المستخدمة. و تمت دراسة أثر بعض العوامل على فعالية الحفاز وسير تفاعل التحطيم الضوئي، مثل: مدة الإشعاع، و درجة الحرارة، و درجة الحموضة، وتركيز كل من الحفاز والملوث، وأثر وجود مواد عضوية وغير عضوية ذائبة في الماء المراد تعقيمه. لم يكن لتغيير درجة الحرارة أثر كبير على فعالية الحفاز.
و نظرا للطبيعية الأمفوتيرية لأكسيد الزنك فإن تغيير الرقم الهيدروجيني لوسط التفاعل كان له أثر بسيط جدا على فعالية الحفاز. كان لتغيير كمية الحفاز المستخدمة أثر على فعاليته، حيث لوحظت زيادة الفعالية مع زيادة الكمية المضافة حتى وصلت إلى حد معين، أي أن هناك كمية معينة من الحفاز يجب استخدامها للحصول على أفضل النتائج. كما أدت زيادة تركيز البكتيريا في عينة الماء المراد تعقيمها إلى زيادة في فعالية الحفاز. أما وجود شوائب عضوية وغير عضوية فقد أثر على فعالية الحفاز بشكل متفاوت. تمت إعادة استخدام الحفاز بعد انتهاء التفاعل في تعقيم عينات أخرى من الماء الملوث، حيث أظهر الحفاز المعاد استخدامه فعالية جيدة في تحطيم البكتيريا، كما أن إعادة صبغ الحفاز بعد استخدامه الأول و إعادة استخدامه في تنقية عينة أخرى من الماء الملوث أدت إلى استرجاع الفعالية الأصلية للحفاز.


PDF

استخدام العوامل المحفزة الطبيعية وغير الطبيعية مع عنصر البلاديوم لأكثر من مرة واحدة

تلعب العوامل الكيميائية المحفزة دورا مهما في التفاعلات الكيميائية, ونظرا لكثرة استخدامها وارتفاع تكاليفها كان لا بد من البحث عن بديل وبأثمان زهيدة. وفي هذا المشروع كان اهتمامنا البحث عن مصادر طبيعية. والمصدر الطبيعي الذي وقع عليه الاختيار هو مادة الكركم, وذلك لاستخلاص عامل محفز منه.
قمنا باستخلاص المادة الفعالة الأساسية منه باستخدام الايثانول, حيث أن التركيبة الكيميائية لها تحتوي على نوعين من المجموعات الوظيفية (مجموعتي كربونيل, وروابط ثنائية غير مشبعة). في الخطوة الأولى تم اختزال الروابط الثنائية وتحضير المركب(THC) 24. في الخطوة الثانية تم مفاعلة المركب السابق(24) مع احد الامينات (ايثيلين ثنائي أمين) وتحضير المركب (THCDBI) .25 بعد ذلك تم تثبيت أيون البلاديوم (Pd+2) المحضر مسبقا عليه.مما أدى الى تحضير مركب معقد منه(Pd-THCDBI) 26.
في الجزء الثاني من العمل تم أخذ المركب 24 ومفاعلته مع الامونيا وتحضير المركب (THCDI) .27 باتباع طريقة التحضير في الجزء الأول حيث تم مفاعلة المركب 27 مع ايون البلاديوم فنتج المركب المعقد (Pd-THCDI) 28.
أما في الجزء الثالث من العمل فقد قمنا بتحضير مبلمر معقد من مواد كيميائية تقليدية معروفة, للحصول علىالمبلمر المنشود (بولي إمين بلاديوم)12حسب الخطوات المذكورة في الجزء العملي, ولكن الفرق هنا أن الالدهايد (4,1- بنزينثنائي كربوكسي الدهايد)10 المحضر هنا والمراد تحويله إلى المبلمر (البولي ايمين) 11 والذي تممفاعلته مع البلاديوملإنتاج الايون المعقد (بلاديوم بولي ايمين)12, ومن مميزات هذا المبلمر أن له أكثر من موقع فعال, وكذلك انه بالإمكان إعادة استخدامه في أكثر من حلقة حفزية.
في الجزء الأخير من العمل لقد تم اختبار الايونات المعقدة المحضرة على عدد من أنواع التفاعلات الكيميائية المعروفة مثل: (تفاعل هيك , كربنةالالفينات). حيث تم تحضير كل من:ألفا- هيدروكسي سايكلوهكسانون15, ألفا ميثوكسي سايكلوهكسانون20 من سايكلوهكسانون, وكذلك ألفا-هيدروكسي اسيتوفينون16 من اسيتوفينون باستخدام المبلمر المعقد رقم 12, وهذه الطريقة أعطت نتائج جيدة, وذلك اعتمادا على النتائج المستخلصة من أجهزة التحليل الآلي, الكروماتوغرافيا GC, والأشعة تحت الحمراء IRوالرنين المغناطيسي النووي NMR المستخدمة.
وكذلك تم استرجاع المبلمر المحفز المستخدم وتنظيفه وتنقيته باستخدام احد المذيبات العضوية وهو التولوين, ومن ثم أعيد استخدامه لأكثر من دورة حفزية, دون أن يخسر من فاعليته كثيرا.
وكذلك تم استخدام المركبين المعقدين 26و 28 لتحضير المركبات التالية من مركباتها الأولية:
ألفا- هيدروكسي بروبيوفينون من بروبيوفينون(35).
ألفا- هيدروكسي سايكلوبنتانون من سايكلوبنتانون (30).
ألفا- هيدروكسي سايكلوهكسانون من سايكلوهكسانون (15).
6-ميثيل ,2- هيدروكسي سايكلوهكسانون(32).
وهذه المركبات بعد تحضيرها تم إثباتها باستخدام أجهزة التحليل الآلي السابقة الذكر.


PDF

طرق متعددة الشبكات للمعادلات التفاضلية الجزئية الناقصة
المعادلات التفاضلية الجزئية تظهر في الأنظمة الرياضية التي تصف الظواهر الطبيعية. طرق مختلفة يمكن استعمالها لحل مثل هذه المعادلات. في هذه الاطروحة ستتم مراجعة عامة للطرق التقليدية وكذلك الطرق المتعددة الشبكات الأحدث . الطرق التقليدية المستخدمة هي طريقة جاكوبي وطريقة جاوس-سايدل و طريقة SOR . طريقة جاكوبي وطريقة جاوس-سايدل تعتبر جيدة في تنعيم الخطأ ولكن ليس في تصغيره، صفة التنعيم حفزت العمل على الطرق متعددة الشبكات.
معادلة بواسون في البعدين الاول والثاني استخدمت كنموذج لهذه الدراسة. هذه الدراسة بينت ان سرعة التقارب لهذه الطرق لا تعتمد على البعد بين النقاط. هذه الخاصية جعلت الطرق متعددة الشبكات مسَرع جيد للطرق التقليدية.
PDF