علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Extremely Efficient New Method for Removing Heavy-Metal Contaminants From Drinking Water
(DAVID L. CHANDLER, MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY – ديفيد تشاندلر، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا)
ملخص المقالة:
وضع مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نهجا جديدا لإزالة الرصاص أو غيره من الملوثات المعدنية الثقيلة من الماء، في عملية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بكثير من أي نظام آخر مستخدم حاليا. وهو الأحدث في سلسلة من التطبيقات القائمة على النتائج الأولية التي توصل إليها أعضاء فريق البحث نفسه قبل ست سنوات، والتي تم تطويرها في البداية لتحلية مياه البحر أو المياه المالحة، وتم تكييفها لاحقا لإزالة المركبات المشعة من مياه التبريد لمحطات الطاقة النووية. والنسخة الجديدة هي أول طريقة من هذا القبيل قد تنطبق على معالجة إمدادات المياه المنزلية، فضلا عن الاستخدامات الصناعية. ويستخدم النهج الجديد عملية تسمى غسيل الكلى الكهربائي الصادم، حيث يتم استخدام حقل كهربائي لإنتاج موجة صدمة داخل مادة مسامية مشحونة كهربائيا تحمل المياه الملوثة. وتنتشر موجة الصدمة من جانب إلى آخر مع زيادة الجهد الكهربائي، تاركة وراءها منطقة تنضب فيها الأيونات المعدنية، وفاصلة مجرى التغذية إلى محلول ملحي وتيار جديد. وتسفر العملية عن تخفيض الرصاص بنسبة 95 في المائة من المجرى النقي المنصرف.
( المقالة )
وضع المهندسون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نهجا جديدا لإزالة الرصاص أو غيره من الملوثات المعدنية الثقيلة من الماء، في عملية يقولون إنها أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بكثير من أي نظام آخر مستخدم حاليا، على الرغم من وجود أنظمة أخرى قيد التطوير تقترب من النهاية. وفي نهاية المطاف، يمكن استخدامه لمعالجة إمدادات المياه الملوثة بالرصاص على المستوى المنزلي، أو لمعالجة المياه الملوثة من بعض العمليات الكيميائية أو الصناعية.
والنظام الجديد هو الأحدث في سلسلة من التطبيقات القائمة على النتائج الأولية التي توصل إليها أعضاء فريق البحث نفسه قبل ست سنوات، والتي تم تطويرها في البداية لتحلية مياه البحر أو المياه المالحة، وتم تكييفها لاحقا لإزالة المركبات المشعة من مياه التبريد لمحطات الطاقة النووية. والنسخة الجديدة هي أول طريقة من هذا القبيل قد تنطبق على معالجة إمدادات المياه المنزلية، فضلا عن الاستخدامات الصناعية.
وقد نُشِرَت النتائج في 22 سبتمبر 2021، في مجلة “العلوم والتقنية البيئية – المياه”، في ورقة أعدها طلاب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هوانهوان تيان، ومحمد الخضرا، وكاميرون كونفورتي، وأستاذ الهندسة الكيميائية البروفيسور مارتن بازانت.
ويقول الخضرا: “من الصعب للغاية إزالة المعادن الثقيلة السامة الثابتة والموجودة في الكثير من مصادر المياه المختلفة”. ويضيف: “من الواضح أن هناك أساليب متنافسة اليوم تقوم بهذه الوظيفة، لذا فهي مسألة الطريقة التي يمكن أن تفعل ذلك بتكلفة أقل وأكثر موثوقية”.
والتحدي الأكبر في محاولة إزالة الرصاص هو أنه موجود بشكل عام في مثل هذه التركيزات الصغيرة، التي تتجاوزها إلى حد كبير عناصر أو مركبات أخرى. فعلى سبيل المثال، يوجد الصوديوم عادة في مياه الشرب بتركيز عشرات الأجزاء في المليون، في حين أن الرصاص يمكن أن يكون شديد السمية عند بضعة أجزاء فقط لكل مليار. ويوضح الخضرا أن معظم العمليات الحالية، مثل التناضح العكسي أو التقطير، تزيل كل شيء في وقت واحد. وهذا ليس فقط يتطلب طاقة أكثر بكثير مما هو مطلوب للإزالة الانتقائية، بل إنه يؤدي إلى نتائج عكسية، لأن كميات صغيرة من العناصر مثل الصوديوم والمغنيسيوم ضرورية في الواقع لمياه الشرب الصحية.
ويستخدم النهج الجديد عملية تسمى غسيل الكلى الكهربائي الصادم، حيث يتم استخدام حقل كهربائي لإنتاج موجة صدمة داخل مادة مسامية مشحونة كهربائيا تحمل المياه الملوثة. وتنتشر موجة الصدمة من جانب إلى آخر مع زيادة الجهد الكهربائي، تاركة وراءها منطقة تنضب فيها الأيونات المعدنية، وفاصلة مجرى التغذية إلى محلول ملحي وتيار جديد. وتسفر العملية عن تخفيض الرصاص بنسبة 95 في المائة من المجرى النقي المنصرف.
ومن حيث المبدأ، يقول البروفيسور بازانت: “هذا يجعل العملية أرخص بكثير، لأن الطاقة الكهربائية التي تضعها للقيام بالفصل تلاحق حقا الهدف ذي القيمة العالية، وهو الرصاص. أنت لا تهدر الكثير من الطاقة لإزالة الصوديوم”. ونظرا لأن الرصاص موجود بمثل هذا التركيز المنخفض، “لا يوجد الكثير من التيار الكهربائي الذي يشارك في إزالة تلك الأيونات، لذلك يمكن أن تكون هذه طريقة فعالة للغاية من حيث التكلفة”.
ولا تزال العملية لها محدوديتها، حيث لم تثبت إلا على نطاق مختبري صغير وبمعدلات تدفق بطيئة جدا. وسيتطلب توسيع نطاق العملية لجعلها عملية للاستخدام المنزلي مزيدا من البحث، وستستغرق الاستخدامات الصناعية الأوسع نطاقا وقتا أطول. ولكن يمكن أن يكون عمليا في غضون بضع سنوات بالنسبة لبعض الأنظمة المنزلية، كما يقول البروفيسور بازانت.
وعلى سبيل المثال، قد يكون لدى المنزل الذي تكون إمدادات المياه ملوثة بشدة بالرصاص نظام في القبو يعالج ببطء تيارا من المياه، مالئًا خزانا بمياه خالية من الرصاص لاستخدامها في الشرب والطهي، مع ترك معظم المياه دون معالجة لاستخدامات مثل تنظيف المرحاض أو سقي العشب. وقد تكون هذه الاستخدامات مناسبة كتدبير مؤقت لأماكن مثل مدينة فلينت بولاية ميشيغان، حيث تستغرق المياه الملوثة في الغالب بأنابيب التوزيع سنوات عديدة للعلاج من خلال استبدال الأنابيب.
ويمكن أيضا تكييف العملية مع بعض الاستخدامات الصناعية مثل تنظيف المياه المنتجة في عمليات التعدين أو الحفر، بحيث يمكن التخلص من المياه المعالجة بأمان أو إعادة استخدامها. وفي بعض الحالات، يمكن أن يوفر ذلك أيضا طريقة لاستعادة المعادن التي تلوث المياه ولكن يمكن أن يكون في الواقع منتجا قيما إذا تم فصلها؛ على سبيل المثال، يمكن استخدام بعض هذه المعادن لمعالجة أشباه الموصلات أو المستحضرات الصيدلانية أو غيرها من منتجات التقنية الفائقة، كما يقول الباحثون.
ويقول البروفيسور بازانت إن المقارنات المباشرة لاقتصاديات هذا النظام مقابل الأساليب القائمة صعبة، لأنه في أنظمة الترشيح، على سبيل المثال، تكون التكاليف أساسا لاستبدال مواد الترشيح، التي تسد بسرعة وتصبح غير قابلة للاستخدام، في حين أن التكاليف في هذا النظام هي في الغالب لمدخلات الطاقة المستمرة، وهي صغيرة جدا. وفي هذه المرحلة، تم تشغيل نظام غسيل الكلى الصادم لعدة أسابيع، ولكن من السابق لأوانه تقدير طول العمر في العالم الحقيقي لمثل هذا النظام، كما يقول البروفيسور بازانت.
وسيستغرق تطوير العملية إلى منتج تجاري قابل للتطوير بعض الوقت، ولكن “أظهرنا كيف يمكن القيام بذلك، من وجهة نظر تقنية”، كما يقول بازانت. ويضيف: “ستكون القضية الرئيسية على الجانب الاقتصادي”. ويشمل ذلك معرفة أنسب التطبيقات وتطوير تشكيلات محددة تلبي تلك الاستخدامات. ويضيف: “لدينا فكرة معقولة عن كيفية توسيع نطاق هذا. الأمر يتعلق بالحصول على الموارد”، وهو ما قد يكون دورا لشركة ناشئة بدلا من مختبر البحوث الأكاديمية.
ويقول: “أعتقد أن هذه نتيجة مثيرة، لأنها تبين أننا نستطيع حقا معالجة هذا التطبيق الهام” لتنظيف الرصاص من مياه الشرب. فعلى سبيل المثال، يقول إن هناك أماكن تقوم الآن بتحلية مياه البحر باستخدام التناضح العكسي، ولكن عليهم تشغيل هذه العملية الباهظة الثمن مرتين على التوالي، أولا لإخراج الملح، ثم مرة أخرى لإزالة الملوثات المنخفضة المستوى ولكنها شديدة السمية مثل الرصاص. ويمكن استخدام هذه العملية الجديدة بدلا من الجولة الثانية من التناضح العكسي، بإنفاق أقل بكثير من الطاقة.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
المرجع: “Continuous and Selective Removal of Lead from Drinking Water by Shock Electrodialysis” بواسطة هوانهوان تيان، محمد الخضرا، كاميرون كونفورتي، و مارتن بازانت ، 22 سبتمبر 2021، “العلوم والتقنية البيئية – الماء”. DOI: 10.1021/acsestwater.1c00234
Note: The research received support from a MathWorks Engineering Fellowship and a fellowship awarded by MIT’s Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab, funded by Xylem, Inc.
ملاحظة: تلقى البحث دعما من زمالة أعمال ماث (MathWorks) الهندسية وزمالة منحها مختبر عبداللطيف جميل للمياه والنظم الغذائية التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بتمويل من شركة اكسيليم (Xylem, Inc).
