وتُعد تلوث الهواء في المناطق الحضرية من أكثر الأزمات إلحاحا في مجال الصحة البيئية في القرن الحادي والعشرين، وتُقدّر منظمة الصحة العالمية أن تلوث الهواء المحيط (الخارجي) يسهم في أكثر من 4 ملايين حالة وفاة سابقة للأوان سنويا، حيث يُحدّد أكبر عبء يقع على المدن في البلدان المنخفضة الدخل والمتوسطة الدخل، ومن العوامل المؤثرة في المركبات العضوية المتقلبة التي تُنَفَذ من قبل المركبات والصناعة لغرامة المادة (PM2.5) التي تخترق الرئتها في الرئتين.

The Science Behind Activated Carbon

إن الكربون المنشط هو شكل من أشكال الكربون المهجور للغاية، الذي تم تجهيزه لخلق مساحة سطحية داخلية هائلة تتجاوز في الغالب ٠٠٠ ١ متر مربع للجرام، وهذه المنطقة السطحية هي نتيجة شبكة من الميكروبات )أقل من ثاني أكسيد الكربون(، والمصابيح المائية )٢-٥٠ نانوتر(، والثدييات )أعداد من ٥٠ نانومترات( أثناء النشاط، تعرض المواد الخام

الاستيعاب ظاهرة سطحية: تُحتجز الجزيئات الملوثة من قبل قوات فان دير والس في جدران الكاربون، وعلى عكس الامتصاص، حيث تُنقل المادة إلى الجزء الأكبر من المادة، ويُركز الامتصاص على السطح، وتتوقف كفاءة هذه العملية على عوامل عديدة: توزيع أحجام ثاني أكسيد الكربون فيما يتعلق بحجم المادة الجزئية من الملوثات.

أنواع الكربون المنشط المستخدم في التخزين الجوي

Carbon Granular Activated

وتتألف مجموعة الوصلات العالمية من جزيئات غير نظامية تتراوح بين 0.2 و5 مليمترات، وتستخدم على نطاق واسع في أجهزة تنقية الهواء الصناعية والبلدية، مثل تلك التي تم تركيبها في مواقد التهوية في الممرات الفرعية أو وحدات مركزية في منطقة HVAC، وتعرض هذه المادة انخفاضاً في الضغط ويمكن تجديدها باستخدام الوسائل الحرارية أو الكيميائية، مما يجعلها فعالة من حيث التكلفة بالنسبة للتطبيقات الكبيرة.

كربون مأهول

ويتكون التراكم الأحيائي من جزيئات أدق (أقل من 0.075 ملم تقريباً) وكثيراً ما يُحقن مباشرة في مجرى غاز العادم أو يُستخدم بالاقتران مع مرشحات النسيج، وتشمل التطبيقات الحضرية غازات المداخن من محرقات النفايات ونظم معالجة الديزل، وتتفاعل المادة الكيميائية بسرعة أكبر بسبب ارتفاع المساحة الخارجية السطحية، ولكن من الأصعب معالجة هذه النفايات واستردادها.

الكربون المنشط المضلل

وبالنسبة لملوثات محددة لا تشبعها انبعاثات الكربون العادي مثل الأمونيا أو الديهيدي أو مصانع الزئبق، فإنها تُسجّل الكربون مع عوامل كيميائية مثل برمنغنات البوتاسيوم أو حمض الفوسفوري أو أكسيد المعادن، وهذه المواد المضافة تتيح استيعاب الكيمياء، حيث يتفاعل كربون البيرفلوري كيميائياً مع كربونات السائل المشبع.

الشاحنات المنشطه

ويعتبر صندوق التعاون التقني من النسيج المأخوذ من ألياف الكربون التي تم تنشيطها، ويجعل هيكله الميكروبوري الموحد ومعدل الامتصاص العالي من التطبيقات التي تتطلب إزالة سريعة للملوثات المنخفضة التركيز، مثل الأقنعة الجوية، ومرشحات الكابينات، وأجهزة تنقية الهواء المحمولة، ويكتسب عامل التقلبات في أجهزة الهواء الجاهزة والشخصية بالنسبة للناقلات الحضرية.

دراسات حالة من البيئات الحضرية

وتبين دراسات الحالة التالية كيف تم نشر تلف الكربون المنشط في البيئات الحضرية في العالم الحقيقي، مما يدل على حدوث تحسينات قابلة للقياس في نوعية الهواء والصحة العامة.

New York City: Subway Air Quality Program

إن نظام متروبولية مدينة نيويورك هو أكبر نظام في نصف الكرة الغربي، حيث يُحمل أكثر من ٥,٥ مليون راكب في يوم أسبوعي نموذجي، وفي عام ٢٠١٩، اشتركت هيئة النقل المتروبولية مع مهندسين بيئيين في إطلاق برنامج تجريبي يُنشئ أجهزة مضخة للكربون مفعمة بالهوية في ثلاثة محطات رئيسية للطرق الفرعية: ساحة التواريخ، ومحطات قطارات مركزية ذات أهداف محددة، ومحطة Vnfilinal.

وبعد ستة أشهر من العمل، أبلغت الإدارة الانتقالية عن انخفاض بنسبة 40 في المائة في مجموع مراكز التشغيل الذاتية وعن انخفاض بنسبة 25 في المائة في مستوى البرنامج 2.5، وأشارت الدراسات الاستقصائية التي أجرتها إدارة الصحة في مدينة نيويورك إلى انخفاض بنسبة 30 في المائة في أعراض الالتهاب التنفسي المبلَّغ عنه ذاتياً بين المستخدمين العاديين، ثم تم توسيع البرنامج ليصل إلى 15 محطة إضافية في عام 2022.

بيجين: تركيبة الهواء الحضري الكبيرة

وكانت نوعية الهواء في بيجين واحدة من أكثر المواد التي تم فحصها في العالم، حيث تجاوزت تركيزات الشتاء 2.5 ميكروغرام/م3 - أكثر من 20 مرة المبدأ التوجيهي لمنظمة الصحة العالمية، واستجابة لذلك، أطلق مكتب حماية البيئة في بلدية بيجين خطة شاملة في عام 2017 شملت تركيب نظم لتخزين الكربون المنشط في 18 حدائق صناعية، و40 مركزا للنقل العام، وأكثر من 200 مبنى مدرسي ومستشفيات.

وكان أحد المشاريع البارزة تركيب 000 500 من السائل المنوي (أقدام كحولية في الدقيقة) مشغلاً بالكربون في حديقة شوغانغ الصناعية، وهو مطحن فولاذي سابق تحول إلى منطقة ثقافية وتجارية، واستخدم النظام تليف ثاني أكسيد الكربون المزدوج: وهو جهاز مصمم للغاز المحتوي على تركيزات كبيرة، يليه جهاز تصفية للكربون المشبع بالهدفتر، مما أدى إلى انخفاض بنسبة مئوية في التركيز.

ومن الأمور الحاسمة أن البرنامج أكد على مصادر مستدامة للكربون: فقد تم إنتاج الكربون المنشط محليا من قذائف جوز الهند التي تم جمعها من مقاطعة هاينان، مما أدى إلى خفض آثار الكربون في سلسلة الإمداد بنسبة 22 في المائة مقارنة بالمكافئات المستوردة، كما أن الكربون المستعمل قد استحدث حراريا في مرفق مخصص، مما أدى إلى استعادة القدرة على استيعابه بنسبة 70 في المائة، كما أن مؤشر جودة الهواء العام في المدينة قد تحسن بنسبة 35 في المائة بين عامي 2017 و 2023.

لوس أنجلوس: استهداف مشرفي الدخان

وقد كافح لوس أنجلوس منذ وقت طويل مع التشويش الكيميائي الضوئي، الذي يقوده انبعاثات أكسيد النيتروز ومركبات الكربون الكلورية فلورية من أحد أساطيل المركبات الكثيفة في الولايات المتحدة، وفي عام 2020، بدأت مقاطعة جنوب الساحل لإدارة الجودة في تنفيذ برنامج تجريبي لاختبار المعالجة الثانوية الفعالة القائمة على الكربون في أكوام العادم في خمسة مستودعات شاحنات رئيسية بالقرب من ميناء لوس أنجلوس وشاطىء لونغ.

وقد استخدمت النظم مزيجاً من كربونات غير مربوطة بالغاز وكربوناً معدنياً مصمماً لتغذية ثاني أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحترقة، وعلى مدى فترة تقييم مدتها 12 شهراً، أبلغت المخازن عن انخفاض بنسبة 60 في المائة في زلزال الهيدروكربونات، وانخفاض بنسبة 45 في المائة في انبعاثات أكسيد النيتروز في منافذ الوجبات الخفيفة.

دلهي: تجميع الكربون المنشط مع التكنولوجيات الأخرى

إن أزمة نوعية الهواء في دلهي شديدة، حيث أن القراءات التي تصدر في الشتاء عن طريق AQI (مؤشر الجودة) تتجاوز في كثير من الأحيان 400.() وقد أطلقت لجنة مكافحة التلوث في المدينة مجموعة متنوعة من مصادر التلوث - الانبعاثات الوعائية، وحرق المصابين بالدغ، وغبار البناء، والتصريف الصناعي - نهجاً متعدد التكنولوجيا، وفي عام 2021، أطلقت لجنة مكافحة التلوث مشروعاً لتركيب وحدات تنقية هجينية في 10 أجزاء من وحدة ما قبل الترس.

وقد أزالت مجموعة الـ (ESP) جزيئات الـ (PM10) وبعض الجسيمات الدقيقة، بينما استهدفت مرحلة الكربون المنشط الأوعية المحتوية على كربون مشبع بالفلور، وHs) و(PM2.5) بينما كانت الوحدات التي استخدمتها الحكومة في اختبار لمدة سنة واحدة قد خفضت مستويات PM2.5 بنسبة 72 في المائة وVOC بنسبة 80 في مواقع التركيب الفورية، وزادت نسبة الارتفاع بنسبة 18 في المائة في وحدات النجاح التخية، كما أبلغ عنها موزعون المحليون عن التلوث.

العوامل الرئيسية للتنفيذ الحضري الناجح

التنسيب والتصنيع

ويجب أن تنشر مرشحات الكربون المنشطة، في المواقع التي تكون فيها تركيزات الملوثات أعلى، ويزداد تعرض الإنسان فيها: منابر المترو، ومخازن الحافلات، ومقاطعات المرور، ومحيطات الحدائق الصناعية، وقرب المدارس أو المستشفيات، ويمكن أن يساعد نموذج ديناميات السوائل الحاسوبية على التنبؤ بأنماط تدفق الهواء وأن يحسن عدد ومواقع وحدات التصفية، ويؤدي إلى حدوث تجاوزات في مستويات الإنفاق قبل الأوان؛

الصيانة والرصد المنتظمان

ولدى الكربون المنشط قدرة استيعاب محدودة، وعندما يتم شبع المسامير، لا يمكن للمرشح أن يلتقط الملوثات، بل قد يُحلى مركبات سبق جمعها، ويتحول من مغسلة إلى مصدر، ولذلك فإن الرصد بالغ الأهمية، والنظم القائمة على الاستشعار التي تقيس تركيز الملوثات البديلة (مثلاً، تركيبات التحميل الحرارية الإجمالية) يمكن أن تؤدي إلى استبدال النفايات في الوقت المناسب.

التكامل مع تكنولوجيات التأهيل الجوي الأخرى

(ب) إنَّ مبيدات الكربون المنشطة في ملوثات الغاز المسببة للثدي ولكنها أقل كفاءة بالنسبة للجسيمات ولا يمكن أن تزيل البكتيريا أو الفيروسات أو العفن، ولذلك فهي مقترنة دائماً تقريباً بأجهزة مرشَّحة لسحب الجسيمات و

التحديات والحدود

وفي حين أن الكربون المنشط أداة قوية، فإنه ليس رصاصة فضية، ومن القيود الرئيسية أن الامتصاص غالبا ما يكون تنافسيا: فخار المياه، الذي يتوفر في الهواء المحيط، يمكن أن يحتل مواقع للطوابق ويقلل من قدرة الملوثات المستهدفة، وهذا أمر يثير إشكالية خاصة في المدن الرطبة مثل مومباي أو شنغهاي، ويمكن للكربونات المشبعة والطفرات الهيدروفورية أن تخفف من هذه المسألة، ولكن

وثمة تحد آخر يتمثل في التخلص من الكربون المستهلك، حيث يصنف الكربون المشبع بالفلور أوكتين المشبع بالفلور أوكتين أو الفلزات الثقيلة أو غيرها من المواد السمية على أنها نفايات خطرة في العديد من الولايات القضائية، ويمكن أن يدمر التوليد الحراري المواد العضوية، ولكن المعادن وغيرها من الملوثات غير العضوية المحتوية على مركبات الكربون التي تتراكم في هيكل الكربون، والتي تتطلب التخلص منها في نهاية المطاف، ويبين تحليل دورة الحياة أن البصمة البيئية لفوائد الإنتاجية الكثيفة من قبل عوامل الإنتاج الكربون والتي تستهلك طاقة كثيفة.

ولا تزال التكلفة تشكل عائقا أمام المدن المنخفضة الدخل، إذ يمكن أن تكلف الكربون المنشط العالي الجودة من دولارات الولايات المتحدة الأمريكية ما بين دولارين و5 دولارات لكل كيلوغرام، وقد تكون فترات الاستبدال قصيرة إلى ثلاثة أشهر وستة أشهر في المناطق الملوثة بشدة، ويتزايد استخدام آليات التمويل مثل أرصدة الكربون، أو السندات البلدية، أو التمويل الدولي للمناخ لتعويض هذه التكاليف.

الاتجاهات المستقبلية

وتقود البحوث الابتكار في مجال تكنولوجيا الكربون المنشط. Nanostructured carbons]، بما في ذلك مركبات أكسيد الغرافين ونوبات الكربون، تعد حتى المناطق السطحية الأعلى، وتضع مواد متجانسة مصممة خصيصا لملوثات محددة. ]

ويمكن لنظم التموين الذكية باستخدام خوارزميات التعلم الملاحية ] ] التنبؤ بالتشبع استنادا إلى بيانات الملوثات والرطوبة في الوقت الحقيقي، وتحقيق أفضل دورات التجديد وتقليل النفايات إلى أدنى حد، وتضع بعض الجهات المصنعة بطاقات الإيداع في خراطيش الكربونية لتتبع الاستخدام وإعادة تكييف سياسة باريس المتعلقة بالبناء.

ويجري بالفعل إدماج الكربون المنشط في Internet of things (IoT) منصات في مشاريع تجريبية في سنغافورة واستكهولم، حيث توفر أجهزة الاستشعار الشبكية لوحات رطوبة ذات جودة الهواء وتتيح السيطرة الدينامية على معدلات التهوية، وبما أن تكلفة أجهزة الاستشعار والوصل لا تزال تهبط، فإن هذه النظم ستتاح للمدن من جميع الأحجام.

خاتمة

وقد ثبت أن تلف الكربون المنشط هو تكنولوجيا قوية وقابلة للتكيف وفعالة لخفض الملوثات المحمولة جوا في البيئات الحضرية، وتبين دراسات الحالة التي أجريت في نيويورك وبيجين ولوس أنجلوس ودلهي أنه عندما يتم نشرها بعناية للتنسيب والصيانة والإدماج في التكنولوجيات التكميلية، يمكن للكربون المنشط أن يحقق تحسينات كبيرة في نوعية الهواء والصحة العامة، ولكن التكنولوجيا لا تفتقر إلى الدعم المستمر في مجال السياسات، والتكاليف، والتغلب على العقبات التي تعترض سبيل التفكير.

وبالنسبة لمخططي المدن وموظفي الصحة العامة والمهندسين البيئيين، ينبغي أن يكون الكربون المنشط أداة موحدة في ترسانة إدارة نوعية الهواء - ليس كحل قائم بذاته، بل كعنصر حاسم في استراتيجية شاملة تشمل خفض الانبعاثات، والهياكل الأساسية الخضراء، والتغيير السلوكي، والدليل واضح: الاستثمار في توليد الكربون المنشط يؤدي إلى عائدات قابلة للقياس في الهواء الأنظف، والمقيمين الصحيين، والمساحات الحضرية الأكثر قابلية للتأثر.