مقدمة: التحدي المتنامي في مجال تلوث المياه

ولا يزال التلوث بالمياه من أكثر التحديات البيئية وتحديات الصحة العامة إلحاحا في عصرنا، ووفقا لمنظمة الصحة العالمية، يفتقر ما يقدر ب 2.2 بليون شخص إلى خدمات مياه الشرب المأمونة، ويُبلغ سنويا عن مئات الملايين من حالات الأمراض المنقولة بالمياه، وفيما عدا مسببات الأمراض الميكروبي، فإن المشهد الكيميائي الحديث قد استحدث مجموعة من الملوثات الثابتة والناشئة التي لم تصمم قط مصانع المعالجة التقليدية لمعالجة المبيدات، وتشمل هذه المنتجات الصيدلانية والمركودية.

وقد وضعت أساليب تقليدية لمعالجة المياه، مثل التخثر، والزخ، والترسب، وتركيب الرمال، والكلورة، منذ أكثر من قرن، وبينما تظل هذه الوسائل فعالة في إزالة المواد الصلبة المعلَّقة وتفعيل العديد من المسببات المرضية، فإنها غير كافية بشكل متزايد بالنسبة للملوثات الكيميائية المعقدة التي تميز مياه النفايات في القرن الحادي والعشرين، فإن امتصاص الكربون المنشط يمكن أن يزيل بعض المركبات العضوية ولكن يتطلب تجديداًاً مكثفاًاً

وقد أدت هذه القيود إلى إجراء بحوث مكثفة في الجيل القادم من العمليات الحفازة التي يمكن أن تحقق التعادل الكامل للملوثات في ظروف مخففة، باستخدام مصادر الطاقة المتجددة والمواد الوافرة وغير السامة، وتوفر التحفيز نهجا مختلفا اختلافا جوهريا: بدلا من الفصل المادي أو نقل الملوثات، وتتحول ردود الفعل الحفازة إلى منتجات نهائية غير مؤذية مثل ثاني أكسيد الكربون، والصور، والفولاذ للشبكة.

السلف في مجال التكنولوجيات التحفيزية

وقد أدى البحث عن عوامل محفزة أكثر فعالية لمعالجة المياه إلى حدوث انفراجات عبر مجالات متعددة من علوم المواد والهندسة الكيميائية، ويتجاوز الباحثون عوامل حافزة بسيطة ووحيدة التجهيز لتصميم هياكل معقدة تدمج عوامل متعددة: استيعاب الطيف الضوئي، وفصل الشحنات، وتوليد الأنواع الرجعية، والاستيعاب الانتقائي، والقابلية للتشغيل الميكانيكي، وتركيز على العوامل الحفازة التي يمكن أن تعمل تحت درجة الحرارة والضغط.

العمليات التحليلية

Photocatalysis relies on the ability of certain semiconductor materials to absorb light energy and generate electron-hole carriers migrate to the incentive surface, where they participate in redox reactions with water molecules, dissolved oxygen, and adsorbed pollutants. The most intensively studied photocatalyst is titanium dioxide (T

A major limitation of TiO2] is its wide bandgT

() ما بعد: ((BFLT:0)(2)([FLT:])

ويقتضي التطبيق العملي للتحلل الضوئي لمعالجة المياه تعبئة الحفاز على الدعم الصلب لتجنب الحاجة إلى الفصل بعد المعالجة، وتشمل مواد الدعم المشتركة لوحات زجاجية، ومسامات فولاذية لا تصق، ورمبرايزية مائية معالجية، وبوليمرات محفزة، ويمكن أن يُودع الحفاز بأساليب مثل التحلل المخفف، والارتقاء بالبخار الكيميائي، والتركيب الكهرملي.

يمكن أن تُحدث في الآونة الأخيرة أو في إطار البحث، أو في شكل مقياس للترددات الحرارية أو في مواقع ذات فتحات متطورة، أو في شكل مقياس للأشعة تحت الحمراء، أو في شكل مقياس للأشعة فوق البنفسجية، أو في شكل مقياس للأشعة تحت الحمراء، أو في شكل مقياس للضوء، أو في شكل مقياس للأشعة دون الحمراء، أو في شكل مقياس للأشعة دون الحمراء.

عمليات التخصيب بالصدمات الكهربائية والتوليد المتطورة

ويستخدم العلاج من الكهرباء الكهربية لتوليد الأكسدة والتخفيض على سطح الكهروديس المصمم خصيصاً، وأكثر التشكيلات شيوعاً خلية الكهرومائية ذات مقياس الكهرموز العضوي: أي أنه يوجد تكبير في أكسيد النيتروز، أو يقيد فيه إنتاج المواد الكهرمائية المضغوطة، أو يُحد من المواد الهيدروجينية.

Mix-Froud metal electrodes (MMO) such as Ti/IrO2[Fox]

(ب) إن تكامل استخدامات التحلل الكهربائي مع تقنيات التسمم المتقدمة الأخرى يتيح فوائد تآزرية.

S-[F]-F----F----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

وعلى الرغم من هذه التطورات، لا تزال هناك تحديات عديدة تواجه المعالجة الكهربائية للمياه، والأهم من ذلك ارتفاع تكلفة المواد الكهربائية، والحاجة إلى دعم مستقر ومستمر، وتشكيل منتجات ثانوية مكلورة عند معالجة المياه المحتوية على الكلوريد، واستهلاك الطاقة المرتبط بالتطبيقات الواسعة النطاق، وتعالج الباحثون هذه المسائل من خلال تطوير المواد الكهرومغناطيسية المحتوية على التحلل الحراري، وتخفض إلى أدنى حد ممكن من العمليات التي تنطوي على عوامل القدرة على المعالجة الحرارية.

علم النانوات وتصميم المحفزات

وقد وفر علم النانوات أدوات لتصميم مواد حفازة على مستوى الجزيئي، مما أتاح السيطرة غير المسبوقة على الحجم والشكل والتكوين والهيكل السطحي والسخرية، ويتيح ارتفاع نسبة المواد النانوية من السطح إلى الحجم، وجود جزء كبير من الذرات في المواقع النشطة، مما يزيد بشكل كبير من عدد مراكز التفاعل لكل كتلة من الوحدات، كما أن الأبعاد النانوية يمكن أن تغير الممتلكات الإلكترونية، مثل الفجوة في النطاقات، والتنقل الكمي.

ومن بين أكثر المواد النانوية دراسة للحفز، هي الجسيمات النانوية ذات أكسيد المعادن، والهيكلات النانوية القائمة على الكربون (بما في ذلك النانووبات الكربونية، والغرافيين، ونقاط الكربون)، والهيدروكسيدات المزدوجة، والثنائية التراكمية، والديكالينات المتحولة ثنائياً مثل MoS([FT])

(أ) [[الإطار الاستراتيجي]: [الإطار الاستراتيجي]: يميل النابولي إلى التكتل لتقليل طاقتها السطحية العالية، مما يقلل من عدد المواقع العاملة الميسورة ويقلل من النشاط التحفيزي، ويتغلب الباحثون على مواد ناقلة تدعمها بشكل ثابت مثل السيراميات والبوليمرات والنشاطات الوسيطة(أ)

(ب) إن إنتاج [الفولف وهندسة الخلل استراتيجيات قوية لتعزيز النشاط المتأصل للمحللين النانويين، حيث إن إدخال شواغر الأكسجين في عوامل محفزة أكسيد المعادن، مثلاً، يمكن أن يخلق حالات من التحلل في منتصف الغواصات، ويعزز الامتصاص في الضوء، ويوفر مواقع نشطة لاستيعاب المياه والأكسجين والملوثات.

أما الأطر المتعددة العضوية للغاز المميت فهي تمثل فئة متعددة من المواد الكريستالية المهبلة التي يمكن التحكم فيها في معالجة المياه الحفازة، كما أن هذه المواد تتكون من قطع معدنية مرتبطة بالوصلات العضوية، وتنتج مساحات سطحية عالية الارتداد (ما يصل إلى 000 10 متر (2) /g) وأجهزة للزراعة.

ويكتسب مفهوم الحفز على التكافل مسارا في تصميم محلل النانو من أجل معالجة المياه، وفي نظام التراديم، يتم إدماج وظيفتين أو أكثر من الوظائف الحفازة في مادة واحدة، مما يتيح حدوث تفاعلات متتالية على مقربة من بعضها البعض، وعلى سبيل المثال، فإن الافتراض النانوي الذي يُعدّ الأزواج الملوثين بالصور المحتوية على انزيم أو مادة نانوبستية يمكن أن يؤديا إلى تحللهما معا.

الحلول المستدامة والضارة بالتكاليف

وعلى الرغم من أن الجيل القادم من تكنولوجيات معالجة المياه الحفازة لتحقيق تأثير في العالم الحقيقي، يجب ألا تكون فعالة فحسب، بل قابلة للاستمرار اقتصاديا، وأن تشمل اعتبارات الاستدامة دورة الحياة الكاملة للمحفز: وجود وفرة المواد الخام وتأثيرها البيئي، وتركيب الطاقة، وتركيبها، والطلب على الطاقة التشغيلية، ومصير الحفازات التي تستهلك، وإمكانية إعادة تدويرها وتجديدها.

إن التحلل الضوئي الذي يقوده النجوم جذاب لأنه يسخر طاقة شمسية وفرة وحرة ومتجددة، ويزيل تكاليف الطاقة وانبعاثات الكربون المرتبطة بالنظم الكهربائية، وحتى النظم المتوسطة التي تعمل بالطاقة الشمسية يمكنها أن تحقق إزالة كبيرة من طيف الملوث، وخاصة في المناطق الغنية بالشمس، وقد كان تطوير المفاعلات المحتوية على أشعة مرئية وشبه خاضعة للأشعة تحت الحمراء أولوية لأن هذه المكونات المحتوية على التحلل الحراري

إن استقرار الحفازات وإمكانية إعادة استخدامها أمران بالغا الأهمية بالنسبة للاستدامة البيئية والاقتصادية على السواء، إذ أن الحفاز الذي يمكن إعادة استخدامه لمئات الدورات دون فقدان كبير للنشاط سيكون له تكلفة أقل بكثير لكل كمية من المياه المعالجة من المواد ذات الاستخدام الواحد أو المواد ذات الوقت القصير، كما أن أساليب التجدد، مثل غسل المواد الحمضية أو القاعدة، أو التحلل الحراري، أو الأشعة فوق البنفسجية، يمكن أن تؤدي إلى إزالة الرغاويات المخففة.

(أ) التحليل التقني والاقتصادي وتقييم دورة الحياة أدوات أساسية لمقارنة التكنولوجيات الحفازة الناشئة بأساليب ثابتة، كما أن هناك عوامل تحقق تقدماً في مجال الطاقة (المفاعلات، والكهرباء، والضوابط)، وتكاليف التشغيل (الكهرباء، والمواد الكيميائية، والعمال، والصيانة)، وتكاليف الاستبدال الحفازة، وقيمة المياه المعالجة بالأشعة السيكولوجية (LA) تقيِّم الآثار البيئية في جميع المراحل، بما في ذلك انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.

كما أن السياسات الحكومية والأطر التنظيمية تؤدي دورا في اعتماد تكنولوجيات المعالجة الحفازة للمياه، كما أن معايير تصريف النفايات الصلبة للملوثات الناشئة، مثل الحدود الأخيرة للاتحاد الأوروبي بشأن نظام إدارة المياه والصرف الصحي في مياه الشرب، وخلق حوافز للمرافق والصناعات للاستثمار في عمليات المعالجة المتقدمة، ويمكن لبرامج المشتريات العامة الخضراء أن تفضّل التكنولوجيات التي تستخدم الطاقة المتجددة والمواد غير السمية، ويمكن أن تساعد الشراكات الدولية ومبادرات نقل التكنولوجيا في نشر إطار عمل حافز للمياه في تطوير المناطق.

الآفاق والتحديات المستقبلية

وعلى الرغم من التقدم الملحوظ في معالجة المياه الحفازة، فإن الطريق من اكتشاف المختبرات إلى النشر التجاري هو طريق طويل وغير مؤكد، إذ يجب التصدي للعديد من التحديات الأساسية لسد الفجوة بين البحوث والممارسة، أولا، لا يزال استقرار وطويلة العوامل الحفازة في ظروف التشغيل الواقعية غير كاف بالنسبة للعديد من المواد الواعدة، حيث أن المياه المستعملة الحقيقية تحتوي على خلائط معقدة من الملوثات، والمواد العضوية، والأعراق غير العضوية، والارتطام المعلق، والتحولات الحقيقية للتحولات.

ثانياً، إن انتقائية العمليات التحفيزية تحتاج إلى تحسين، فمعظم عمليات التأكسد المتقدمة تنتج متطرفات هيدروكسيل، وهي غير انتقائية ويمكن أن تستجيب للأنواع غير المستهدفة مثل المادة العضوية، والآفات غير العضوية، والهيكلات الأحيائية البوليكلورية المُتعقَدة، والقدرة على استهلاك المواد الفوقية التي يمكن أن تُولِّد منتجات ثانوية مضرة.

ثالثا، تظل القابلية للتقسيم والتكاليف حواجز رئيسية، ففي حين أن التجارب المختبرية كثيرا ما تستخدم تحميلات حفازة عالية، ومصادر خفيفة محددة جيدا، ومياه نقية، فإن التطبيقات الحقيقية تتطلب معالجة كميات كبيرة من المياه ذات نوعية متغيرة ومعدلات تدفق، ويجب أن يكون تصميم المفاعلات على الوجه الأمثل لتوزيع الضوء الموحد في النظم المحتوية على الفلكات الضوئية، وقابلية الانتقال الجماعي الفعال في الخلايا الكهروكالاتية، وانخفاض الضغط في المفاعلات الثابتة.

رابعا، يجب أن يتجاوز تقييم كفاءة العلاج إزالة الملوثات الوالدية لتقييم السمية والتحلل الأحيائي وتكوين منتجات التحول، ويمكن أن يؤدي التدهور الجزئي للملوث إلى إنتاج مواد وسيطة أكثر سمية أو استمرارا من المجمع الأصلي، مثلا، يمكن أن يؤدي التدهور الفلكي لبعض المضادات الحيوية إلى إنتاج مواد وسيطة تحتفظ بنشاطات مضادة للأكسدة أو تعزز المقاومة الحيوية.

وأخيرا، يتطلب إدماج العمليات التحفيزية في الهياكل الأساسية الحالية لمعالجة المياه النظر بعناية في التوافق الهيدروليكي، والتعقيدات التشغيلية، ومتطلبات الصيانة، كما أن إعادة استخدام محطة معالجة تقليدية ذات نظام كهربي مزود بالصور الفوتاتية، مثلا، قد يتطلب حيزا إضافيا للمفاعلات، وتغييرات في شبكات الرصيف والضخ، وتدريب المشغلين، وتوفر النظم الحديثة والحاوية بديلا مرنا، ولا سيما بالنسبة للتطبيقات الصناعية الرخيصة مثل المجتمعات المحلية النائية، والماء.

ومن المرجح أن تشكل عدة اتجاهات ناشئة في المستقبل العقد القادم من البحوث الحفازة في مجال معالجة المياه، ويجري تطبيق الاستخبارات الفلكية والتعلم الآلي للتعجيل باكتشاف عوامل الحفازة بالتنبؤ بنظم التكوين والنشاط من البيانات الضخمة للبيانات التجريبية والحسابية، كما أن وجودة النظم التكنولوجية الحيوية العالية القدرة على التوليد، والآلات، والتركيب الآلي، تتيح التقريب السريع لآلاف المرشحين المحفزين.

وسيكون التعاون بين مختلف التخصصات والقطاعات أمراً أساسياً لتحقيق إمكانات معالجة المياه الحفازة، إذ يتعين على الكيميائيين وعلماء المواد والمهندسين وخبراء الصحة البيئية وعلماء الاقتصاد وواضعي السياسات العمل معاً لتحديد أولويات البحوث وتقييم المفاضلات ووضع مشاريع بيانية، ويمكن لوكالات التمويل والمنظمات الدولية أن تدعم هذا التعاون من خلال إنشاء اتحادات متعددة المؤسسات، وتمويل البحوث الرائدة في مجال التلوث، وتقاسم أفضل الممارسات.

الاستنتاجات

وتمثل عمليات الجيل القادم من التحفيز تحولاً في معالجة المياه، حيث انتقلت من الفصل المادي إلى التحول الكيميائي للملوثات إلى منتجات غير مؤذية، ويُتيح تحليل الفوتوكاتا، والتشلّل الكهربائي، وعمليات التكهن المتطورة في مجال الطاقة إمكانية تدهور مجموعة واسعة من الملوثات الثابتة، بما في ذلك المستحضرات الصيدلانية، والبوليستروم، والمبيدات الحشرية، والأشعة تحت سطحية، في ظروف متجددة.

بيد أنه لا تزال هناك تحديات كبيرة في توسيع نطاق هذه التكنولوجيات من المنصة إلى الميدان، إذ أن حفز الاستقرار في مصفوفات المياه الحقيقية، والانتقائية بالنسبة للملوثات المستهدفة، وتصميم المفاعلات والهيدرودينامية، وكفاءة الطاقة، والقدرة التنافسية الاقتصادية، كلها أمور تتطلب مزيدا من التطوير والبيان، إذ أن إدماج العمليات التحفيزية في الهياكل الأساسية القائمة، فضلا عن تطوير النظم النموذجية واللامركزية، سيكون أمرا حاسما في الاعتماد الواسع النطاق.

  • Development of visible-light-active photocatalysts such as N-doped TiO2], BiVO4, and g-C3[[[FutLT:5]]N
  • تصميم محللين نانو كاتات دائمين قابلين لإعادة تدويرهم مع هياكل للمورفات والخرائط الأساسية الخاضعة للرقابة من أجل تعزيز الاستقرار
  • دمج الأكسدة الكهربائية التحليلية مع عمليات التخزين في الغشاء وفنتون لمعالجة التآزر
  • استكشاف مواد حفازة من الطماطم الواحدة ومواد مصممة حسب العيوب من أجل إزالة الملوثات بصورة انتقائية وفعالة
  • استخدام مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية والكهرباء المنخفضة الفولطية من أجل التشغيل المستدام
  • نشر تحليل التكنولوجيا - الاقتصادية وتقييم دورة الحياة لتوجيه التنمية نحو إيجاد حلول فعالة من حيث التكلفة ومراعية للبيئة
  • النهوض بتصميمات المفاعلات بما في ذلك جامعات المشابكات المركبة، وخلايا التدفق الكهروكيميائي، ومفاعلات النمبرات الكهروكاتوليتية من أجل زيادة الحجم عمليا
  • التعاون بين الباحثين والمهندسين وواضعي السياسات والمرافق المائية لترجمة الابتكارات المختبرية إلى نظم معالجة المياه في العالم الحقيقي

For further reading on photocatalytic water treatment, see the comprehensive review in Physistry Chemical Physics and the open-access article on emerging photocatalysts in npj Clean Water