إمكانية تنشيط الكربون في إزالة المواد الصيدلانية من المياه المستعملة

التحدي المتنامي للملوثات الصيدلانية في المياه

وتشكل المواد الصيدلانية في المياه المستعملة تحدياً بيئياً وصحياً عاماً متزايداً، وهذه المركبات، بما فيها المضادات الحيوية، والآفات، والهرمونات، والمضادات، تدخل نظم المياه من خلال الاحتراق البشري، والتخلص غير السليم من الأدوية غير المستخدمة، والتصريف الصناعي، وخلافاً للعديد من الملوثات التقليدية، فإن المواد الصيدلانية مصممة لكي تكون نشطة بيولوجياً عند التركيزات المنخفضة، مما يجعل آثارها في المياه ثابتة.

ومن بين التكنولوجيات التي يجري استكشافها لمعالجة هذه الفجوة، اكتسب الكربون المنشط اهتماما كبيرا لقدرته على استنباط مجموعة واسعة من الملوثات العضوية، بما في ذلك المستحضرات الصيدلانية، حيث أن مساحة سطحه العالية، وهيكله غير المسموم، وانخفاض التكلفة نسبيا، تجعله خيارا عمليا لتحسين محطات العلاج القائمة وتصميم نظم جديدة، وهذه المادة توفر نظرة متعمقة على إمكانية الكربون المنشط في إزالة المستحضرات الصيدلانية، بما يشمل آلياته والاعتبارات العملية وآفاق المستقبل.

فهم الكربون النشط: الهيكل والإنتاج

فالكربون المنشط هو شكل مجهز من الكربون مع شبكة داخلية عالية التطور توفر له مساحة سطحية كبيرة للغاية لكل كتلة من وحداته، وتتراوح مساحات سطحية نموذجية بين 500 و500 1 متر مربع/غرام، مما يتيح له فخ الجزيئات من خلال الامتصاص المادي، وتشمل المواد الخام المستخدمة في الإنتاج قذائف جوز الهند، والخشب، والفحم (التناشية أو البراميسين)، والفولط.

الكربون

وفي مجال الكربون، تسخن المادة الخام إلى درجات حرارة عالية (400-900 درجة مئوية) في غياب الأكسجين، مما يزيل المكونات المتطايرة ويترك شحنة غنية بالكربون ذات هيكل بدائي، وتتمتع الفشار بقدرة استيعابية معينة، ولكنها منخفضة نسبيا.

النشاط

ويزيد النشاط من السمية والسطحية، وهناك طريقتان رئيسيتان للتنشيط: التفعيل الحراري (الفيزيائي) والتنشيط الكيميائي، وفي التفعيل الحراري، تتعرض المادة الكيميائية للتسمم مثل البخار، أو ثاني أكسيد الكربون، أو الهواء عند درجة الحرارة فوق 800 درجة مئوية.

أهم الممتلكات للاستيعاب الصيدلي

ولا تكون جميع الكربونات المنشطة فعالة بنفس القدر في إزالة المستحضرات الصيدلانية، وتشمل الخصائص الهامة توزيع أحجام الشجر (المركبات العضوية الكبيرة نسبياً، وبالتالي فإن الميكروفونات تؤدي في كثير من الأحيان دوراً حاسماً في السماح بالوصول إلى المواد الكيميائية المصغرة، وتوفير مواقع ملزِمة.

آليات الإزالة الصيدلانية بواسطة الكربون النشط

وتزيل الكربون المنشط مركبات الصيدلانية أساساً عن طريق الاستيعاب، وعملية تتمسك فيها الجزيئات بسطح الكربون ومواده، كما أن القوى الرئيسية المعنية هي فان دير والس، والتفاعلات الهيدروفية، والهواء المضغوط (بين الحلقات الحرارية من المركبات والطائرات البازائية الكربونية)، والتفاعلات الكهرومغناطيسية المعدلة (إذا حدث سطح الكربون أو الجزئي).

وتتأثر عملية الاستيعاب بممتلكات كل من المسكنات (الصيدلة) والمصنوع (الكربون المنشط) وتشمل العوامل الرئيسية الحجم الجزيئي، والشكل، والقلعة، والتردد، وحالة التأقلم في المواد الصيدلانية، فضلا عن توزيع أحجام الأحجار والكيمياء السطحية للكربون مثلا.

الامتصاص

والعلاقة بين كمية المواد المستحضرة الصيدلانية وتركيزها في الحل عند التوازن توصف بآثيرات الإيزباد مثل نماذج لانغمور وفريندلتش، وهذه النماذج توفر معلومات عن قدرة الاستيعاب والارتقاء بين المستحضرات الصيدلانية والكربون، ويعني الامتصاص العالي أن التركيز يمكن أن يحقق قدراً كبيراً من الامتثال للمركبات حتى عند التركيزات المنخفضة.

العوامل التي تؤثر على كفاءة الامتصاص

1- الممتلكات الصيدلانية

الوزن الجزيئي والهيكل والمجموعات الوظيفية يحددان ما إذا كان يمكن للمركب أن يدخل إلى المسامير ويربطها بفعالية، الجزيئات الأكبر قد تستبعد من الميكروبات، والمركبات غير القطبية، والمركبات الحرارية (مثلاً، العديد من المضادات الحيوية)

2 - البارامترات الكيمائية المائية

• pH:] Affects the ionization state of pharmaceuticals and the surface charge of activated carbon. For example, acidic pharmaceuticals are better adsorbed at low pH when they are neutral, while basic pharmaceuticals are better adsorbed at high pH.
• Dissolved organic matter (DOM): ] Natural organic matter in wastewater competes for adsorption sites and can block pores, reducing pharmaceutical removal efficiency. This is one of the main challenges in real wastewater applications.
• Temperature:] Adsorption is generally exothermic, so lower temperatures may favor adsorption, but the effect is often small compared to other factors.
• Ionic strength:] High salt concentrations can affect electrostatic interactions and may either enhance or inhibit adsorption depending on the system.

3 - خصائص الكربون النشطة

وكما ذُكر، فإن التركيب الشائكي والكيمياء السطحية أمران بالغا الأهمية، فالكربونات التي تبلغ نسبة كبيرة من الميسوبيات أفضل بالنسبة للجزيئات الصيدلانية الأكبر حجما، ويمكن أن تُحدث الأكسدة السطحية مجموعات محتوية على الأكسجين تزيد من كثافة الهيدروفيليات، وربما تقلل من استيعاب مركبات الهيدروفوبيك، ولكنها تتيح تفاعلات جديدة مع المركبات القطبية.

4 - الظروف التشغيلية

ويؤثر وقت الاتصال، والجرعة المُستشفة، والخلط على معدل الاستيعاب ونطاقه، وفي نظم التدفق المستمر (مثل الأعمدة الثابتة العُلب)، ومعدل التدفق، وعمق تأثير الكسر، وبالنسبة للكربون المُنشط المسحوق الذي يضاف إلى خزانات العلاج، يجب أن يُستَغَلَلَد الجرعة ووقت الاتصال على النحو الأمثل لتحقيق الإزالة المرغوبة دون استخدام الكربون المفرط.

أنواع الكربون المنشط المستخدم في معالجة المياه المستعملة

كربون مأهول

وتتألف المادة الكيميائية من جزيئات دقيقة (تدرج عادة في شكل مقياس 0.1 ملم) وتضاف عادة مباشرة إلى عملية المعالجة كسلفة، وهي توفر مساحة سطحية عالية وحيوية سريعة بسبب حجم الجسيمات الصغيرة، غير أنه لا يمكن تجديدها بسهولة، وتُتخلص عادة منها بعد استخدامها (التي تحرق غالبا) وتُستخدم المادة الكيميائية في معالجة مياه الشرب ويمكن إدماجها في عمليات التطهير المنشط.

Carbon Granular Activated

وتحتوي مجموعة بلدان أمريكا اللاتينية والكاريبي على أحجام جزيئات أكبر (تراوح بين 0.4 و2.5 مم) وتستخدم في الأعمدة الثابتة أو المتحركة، ويمكن إعادة توليد تدفقات المياه عبر سرير مجموعة بلدان أمريكا اللاتينية والكاريبي، والكربون باستخدام الأساليب الحرارية وإعادة الاستخدام، وتستخدم نظم مجموعة بلدان أمريكا اللاتينية والكاريبي على نطاق واسع في المعالجة الثالثة في محطات مياه الصرف، وفي عمليات تنقية المياه المتقدمة، والمزايا الرئيسية هي زيادة قابلية التداول في كميات المنتجات الزراعية وسهولة التشغيل، ولكن

أشكال أخرى: الكربون المفقود والمفروض

(أ) تتكون انبعاثات الكربون المنشط المستخرج من مصادرة مزيج من الكربون المسحوق وجهاز ربط في الخيوط الكهرومغناطيسية، وترتفع فيها القوة الميكانيكية وتخفض الضغط في الأعمدة، وتُعدَّل الكربون المنشط المشبع بالمواد الكيميائية (مثلاً، الفضة، أو اليود، أو الأكسيدات المعدنية) بهدف إحداث ملوثات محددة.

تجديد وإعادة استخدام الكربون المنشط

ومن بين السمات الجذابة للكربون المنشط، ولا سيما المادة ٣ من اتفاقية جنيف، إمكانية التجديد والاستخدامات المتعددة، ويقلل التجدد من النفايات وتكاليف التشغيل، وأكثر الطرق شيوعا هي التجدد الحراري، حيث يسخن الكربون المستنفد إلى ٠٠٨-٠٠٠ ١ ْس في الغلاف الجوي الخاضع للرقابة، وهذه العملية تتضخم أو تُغي ِّر العضويات المستنقعة، وتعيد تركيبه، غير أن التجدد الحراري )٥ في المائة( يمكن أن يؤدي إلى فقدان بعض المواد العضوية.

أساليب التجديد البديلة

• Chemical regeneration:] Using solvents, acids, or bases to desorb pharmaceuticals. This is less energy- intensive but can generate secondary waste and may be less effective for strongly bound compounds.
• Biological regeneration:] Microorganisms can degrade adsorbed organics, effectively clean the carbon. This approach is still experimental for pharmaceuticals but shows promise for some biodegradable compounds.
• Electrochemical regeneration:] Applying an electric current to oxidize adsorbed contaminants. This method is emerging and offers potential for in-situ regeneration without removing the carbon from the reactor.
• Microwave regeneration:] Using microwave energy to heat the carbon quickly and selectively, reducing energy consumption compared to conventional thermal methods.

ويتوقف اختيار طريقة التجديد على طبيعة المستحضرات الصيدلانية المشبع، ونوع الكربون، والعوامل الاقتصادية، وبالنسبة لبعض التطبيقات، لا سيما مع شركة PAC، قد لا يكون التجديد فعالا من حيث التكلفة، كما أن الكربون المستنفد يُتخلص منه في مدافن القمامة أو يحرقها.

مقارنة مع تكنولوجيات العلاج الأخرى

والكربون المنشط ليس الخيار الوحيد للتخلص من المستحضرات الصيدلانية، وتشمل عمليات العلاج المتقدمة الأخرى الازدهار، وعمليات التأكسد المتقدمة، والاختلاط المغناطيسي (الاختلاط وعكس الأوسموز)، والعلاج البيولوجي بال الكائنات الدقيقة المتخصصة، ولكل منها مواطن القوة والضعف.

Ozonation

ويمكن أن يُثبّخ الأوزون بفعالية العديد من مركبات المستحضرات الصيدلانية، ولكنه يمكن أن يشكل أيضاً منتجات ثانوية ضارة (مثلاً، برومات في المياه المحتوية على بروميد الميثيل) وقد لا يحقق التعادل الكامل، وكثيراً ما يقترن الإوزون بكربون مفعم أو بيولوجي بعد المعالجة لإزالة المنتجات الثانوية.

عمليات التقريب المتقدمة

وتولد الملوثات العضوية الثابتة (مثلاً، UV/H2O2، Fenton، محلل الصور الفوتوغرافية) متطرفات عالية التفاعل في الهيدروكسيل يمكن أن تحط من أي ملوث عضوي تقريباً، وهي قوية ولكنها كثيفة الطاقة وقد تتطلب مواد كيميائية إضافية، ويمكن أن تكون المنتجات الثانوية مصدر قلق، كما أن العملية أقل استقراراً لمعالجة المياه المستعملة البلدية على نطاق واسع.

Membrane Filtration

ويمكن أن يرفض التخدير والأوسم العكسي نسبة عالية من المستحضرات الصيدلانية، مما ينتج عنابر نظيفة، غير أن الأغشية عرضة للضغط، وتتطلب ضغطاً عالياً، وتولد مركزاً لا بد من معالجته، وتزيد تكاليف رأس المال والتكاليف التشغيلية عن الكربون المنشط في العديد من التطبيقات.

العلاج البيولوجي

وبعض المستحضرات الصيدلانية قابلة للتحلل الأحيائي، ويمكن استخدام البكتيريا المتخصصة أو الفطريات لتحللها، غير أن العديد من المركبات هي مركبات مائلة، وقد لا تحقق العمليات البيولوجية تركيزات منخفضة بما فيه الكفاية من السائل، ويمكن الجمع بين الكربون المنشط والعلاج البيولوجي (مثلا في عملية PACT أو كمرشّح بيولوجي بعد المعالجة) أن يزيل بصورة متطورة كلا من المواد الكيميائية القابلة للتحلل الأحيائي وغير المتدهورة.

وعلى العموم، فإن الكربون المنشط يوفر توازناً في الفعالية والتكلفة والبساطة، ولا سيما فيما يتعلق بإزالة طائفة واسعة من المستحضرات الصيدلانية، ويمكن تنفيذه كمعاملة قائمة بذاتها في المرحلة الثالثة أو إدماجه في النظم القائمة.

دراسات الحالة والتطبيقات العالمية الحقيقية

وقد نجحت عدة محطات لمعالجة مياه الصرف الصحي في تنفيذ الكربون المنشط في مجال إزالة المستحضرات الصيدلانية، فعلى سبيل المثال، حققت [(FLT:0]Neugut WTP في سويسرا (أحد أوائل مستعملي الـ (GAC) في إزالة الميكروبولوت بموجب القانون السويسري لحماية المياه) معدلات إزالة ⁇ 80 في المائة بالنسبة للعديد من المستحضرات الصيدلانية، وبالمثل، [Famex]

وفي الدراسات التجريبية، قام الباحثون باختبار الكربون المنشط بالاقتران مع الازدهار، وقد قام مشروع ديم أوزو () ((FLT:1]) (2012-2015) بتقييم تلفيق المادة الكيميائية في نطاق كامل في عدة مواقع أوروبية، وأفادوا بأن بإمكان مجموعة الكيماويات إزالة معظم المواد الصيدلانية بفعالية قبل انفراجها، وأن مدة الإزالة الفعالة تتوقف على نوع الكربون ونوعية المياه والتركيز الحقيقي للعضوية العضوية.

For more detailed information, consult the EPA’s resource on contaminants of emerging concern] and the WHO fact sheet on pharmaceuticals in drinking water.

التحديات والحدود

وفي حين أن الكربون المنشط فعال، يجب التصدي للعديد من التحديات من أجل زيادة إمكاناته إلى أقصى حد في إزالة المستحضرات الصيدلانية من المياه المستعملة.

• ]Competition from natural organic matter:] DOM in wastewater can significantly reduce the adsorption capacity for pharmaceuticals by occupied pores and binding sites. This competition is one of the main limitations, particularly in secondary effluents with high DOM levels.
• Variability in pharmaceutical composition:] Wastewater contains a complex mixture of hundreds of pharmaceutical compounds, each with different adsorption characteristics. A single operationald carbon type may not be opt opt for all compounds, and design must target the most concerning or prevalent ones.
• ]Saturation and breakthrough:] Over time, the carbon becomes saturated and must be replaced or regenerated. The breakthrough time-when effluent concentration exceeds a target level-is unpredictable without proper monitoring and modeling.
• Disposal of spent carbon:] If not regenerated, spent carbon containing concentrated pharmaceuticals becomes a hazardous waste that requires careful handling, incineration, or landfill disposal with leachate control.
• Cost:] While less expensive than membranes or AOPs for many cases, the cost of actived carbon purchase and regeneration can still be significant for large plants. Economic feasibility depends on local energy costs, carbon prices, and regulatory requirements.

توجيهات البحوث المستقبلية

ولتعزيز أداء الكربون المنشط في مجال إزالة المستحضرات الصيدلانية، يستكشف الباحثون عدة نُهج مبتكرة.

1 - كربون مصمم مجهز بالسلاسل

:: تعديل الكيمياء السطحية أو هيكل الشعر لاستهداف أسر صيدلانية معينة، مثلاً إدخال مجموعات تحتوي على النيتروجين لتعزيز استيعاب المستحضرات الصيدلانية الحمضية، أو إنشاء هياكل هرمية لتحسين النقل الجماعي.

2 - المواد المركبة والمهجنة

:: الجمع بين الكربون المنشط والمواد الأخرى، مثل الأطر المعدنية - العضوية، والجسيمات النانوية المغناطيسية (للفصل السهل)، أو المواد البيولوجية، لخلق مركبين مع خصائص تآزرية، ويمكن استعادة الكربون المنشط المغنطيسي باستخدام الحقول المغناطيسية، وتبسيط التجديد في نظم PAC.

3- التكامل مع العمليات البيولوجية

(أ) استخدام الكربون المنشط كدعم للمرشحات الأحيائية (مثلاً في مرشحات الكربون المنشطة بيولوجياً) للجمع بين الاستيعاب والتحلل الأحيائي، ويمكن لهذا النهج أن يوسع حياة الكربون عن طريق السماح بالكائنات المجهرية المرفقة بتحلل المستحضرات الصيدلانية المصنوعة في الموقع.

4- تقنيات التجديد المتقدمة

(ب) استحداث أساليب أكثر كفاءة وأقل كثافة في توليد الطاقة، مثل تجديد الموجات الكهروكيميائية أو الدقيقة، للحد من التكاليف التشغيلية وخسائر الكربون.

5- رصد الوقت الحقيقي والنمذجة

(ج) استخدام أجهزة الاستشعار والنماذج التنبؤية لتحقيق الاستخدام الأمثل للكربون، والتنبؤ بالاختراق، ودورات تجديد السيارات.() ويجري إعداد خوارزميات تعلم الآلات للتنبؤ بأداء الامتصاص استناداً إلى نوعية المياه والبيانات التشغيلية.

خاتمة

ويوفر الكربون المنشط حلاً ثبتت جدواه وقابلاً للتكيف من أجل إزالة المستحضرات الصيدلانية من المياه المستعملة، وقدرته العالية على الاستيعاب، وانخفاض التكلفة نسبياً، وقدرتها على إعادة تجديدها، يجعلها خياراً جذاباً لمعالجة الملوثات الدقيقة التي تفلت من المعالجة التقليدية، غير أن التنفيذ الناجح يتطلب دراسة دقيقة لكيمياء المياه ونوع الكربون والبارامترات التشغيلية، ويجب معالجة تحديات مثل المنافسة من المادة العضوية الطبيعية، والتغير في البحوث الهندسية في إزالة المركبات، والتخلص من الكربون.

ونظراً لأن الضغط التنظيمي للحد من الملوثات الصيدلانية ينمو - ويتجلى في التوجيه المنقح للمياه الصالحة للشرب الذي وضعه الاتحاد الأوروبي، ومن المرجح أن تؤدي الاستراتيجية السويسرية بشأن الكربون المنشط الميكروبولوتات - دوراً مركزياً متزايداً في معالجة المياه المستعملة، وبجمع الكربون المنشط مع تكنولوجيات أخرى وتعزيز فهمنا لآليات الامتصاص، يمكننا التحرك نحو تنقية المياه أكثر كفاءة واستدامة تحمي الصحة البشرية والنظم الإيكولوجية المائية على حد سواء.

For further reading, see the critical review of adsorption of pharmaceuticals from aqueous solutions] in Environmental Science & Technology, and the ]practical guide from Water Online on actived carbon for micropollutant removal.