وقد أصبح التحلل تكنولوجيا لا غنى عنها لزيادة إمدادات المياه العذبة في مناطق نسل المياه في جميع أنحاء العالم، حيث إن القدرة على تحلية المياه على الصعيد العالمي تتجاوز 100 مليون متر مكعب يوميا، تؤدي هذه العملية دوراً حاسماً في معالجة نقص المياه، غير أن التحدي البيئي المستمر هو إدارة تيار المخرج الثانوي المعروف بالرنين، الذي يُبث عادة في المحيطات أو في أجساد المياه الداخلية.

تحديات المعادن الثقيلة في مجرى التحلل

وتثير المعادن الثقيلة التي يُنشأها الاتحاد الأوروبي مشكلة خاصة في إنتاج المواد السامة، لأن آليات الرفض للأورام العكسية وعمليات التفكك الحراري تُركِّز هذه الملوثات على حجم صغير نسبياً من المياه الرافضة، مثل تركيز المعادن المذوبة أعلى من مثيلاتها في مياه البحر بمقدار 2 إلى 5 أضعاف، تبعاً لمعدلات التعافي.

وقد طُبقت الأساليب التقليدية لإزالة المعادن الثقيلة - مثل التهطال الكيميائي، وتبادل الأسيون، والاستيعاب بالكربون المنشط - على معالجة الرشوة ولكن تواجه قيوداً كبيرة، وتولد التهطال الكيميائي كميات كبيرة من الحمأة السمية التي تتطلب التخلص منها، وكثيراً ما تزيد التكاليف التشغيلية والتلوث الثانوي، ويمكن أن تكون راتنجات التبادل فعالة ولكنها عرضة للضغط بسبب ارتفاع درجة ملوحة الكربون، والحد من القيود الابتكارية على المواد الكيميائية.

تقنيات مبتكرة من أجل إزالة المعادن الثقيلة

الأساليب الكيمائية الإلكترونية

وقد حظيت التكنولوجيات الكيمائية الإلكترونية باهتمام كبير من أجل إزالة المعادن الثقيلة من الرشوة بسبب الرقابة الدقيقة لها، والكفاءة العالية في إزالة الألغام، وانخفاض البصمة الكيميائية، ومن بين أكثر التقنيات واعدة التنويع هي الكهرباء، والكهرباء، والتخزين الرأسي.

ويستخدم التخثر الكهربائي كهروود المعادن التضحية - وهي عادة الألمنيوم أو الحديد - التي تُطلق من الرواسب المسببة للتآكل إلى الرصيف عندما يتم تطبيق تيارات كهربائية، وتزعزع هذه الآبار من الجزئات المتتالية وتشجع على ضخ الهيدروكسيدات المعدنية الثقيلة التي يمكن فصلها بعد ذلك عن طريق الترسبات أو الرش، وقد ثبت أن التراكم العضوي قد أدى إلى إزالة ما يزيد على 90 في المائة من الحلول المتزامنة.

يعتمد التحلل الكهربائي على تخفيض الأيونيات المعدنية إلى سطح قطود حيث تشكل طبقة معدنية صلبة يمكن حصادها وإعادة تدويرها، وهذه الطريقة مناسبة بشكل خاص للمعادن القيمة مثل النحاس والنيكل، مما يتيح الفوائد المزدوجة من التحكم في التلوث واسترداد الموارد، فعلى سبيل المثال، وضع الباحثون في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتكنولوجيا نظاماً للهيدرويد الكهرومغناطيسي المستمر يزيد عن 95 في المائة.

ويشتمل التحلل الإيجابي على مرور الرنين بين كهروود الكربون الخماسية التي تصب فيها كميات كبيرة من المعادن الكهرومغناطيسية تحت درجة منخفضة (1.2 إلى 1.5 خامسا). وعند حدوث عكس مسار الفولط، تُطلق هذه الآلات إلى مسار مركز للتخلص منها أو التعافي منها، وتُستخدم مادة CDI بكفاءة الطاقة، وتعمل تحت ضغط عال، ولا تتطلب مواد كيميائية مضافة، غير أن فعاليتها في أطر عالية الجودة.

التخزين المبني على أساس نانشنولوجي

وقد أدى ظهور المواد النانوية إلى ثورة تدنيس الغدة الكيمبرانية لعلاج الرشوة، حيث توفر الميدرات النانوية والمجاري النانوية نسبا عالية من سطح إلى طيور، وأحجاماً لا تحصى، وكيمياء سطحية يمكن تصميمها على أساس انتقائي ثنائي المعادن الثقيلة حتى في وجود تركيزات عالية من الملح.

فعلى سبيل المثال، يمكن وضع أغاسيد غرافين (GO) على نطاق واسع لخلق ميكانيكيات تتيح لجزيء المياه أن تمر في الوقت الذي ترفض فيه أوتار المعادن الثقيلة من خلال استبعاد الحجم والتفاعلات الكهروطية، وقد أثبتت البحوث أن " غمبرانز " تعمل مع مجموعات الأمين أو الكربوكل تحقق رفضاً بنسبة 99 في المائة للرصاص وركاز الزئبق من الرخام الاصطناعي.

وثمة مجال نشط آخر هو استخدام الأطر المعدنية - العضوية المدمجة في أجهزة البوليمر، أما الفلور فهي مواد بلورية تحتوي على مسامير الفوقية ومواقع محددة ملزمة للأيونات المعدنية. وأفادت دراسة عن عام 2022 نشرت في وبحوث عن المياه بأن سداً من الفلور أوكتين - 66-NH2 قد أزيل في المائة من الأكسيدات المتعددة.

وفيما عدا المقاييس، تم التحقيق في المواد المشعة النانوية مثل الجسيمات النانوية الحديدية ذات القيمة الصفرية، ونوبات الكربون، وصخرة الصبغة المشابهة، وذلك من أجل شراء الرشاشات ومعاملة الأعمدة، وتشمل المزايا الرئيسية حامض الماء السريع، وارتفاع القدرة، وإمكانية الفصل المغنطيسي، على سبيل المثال، المواد المغنيتة (Fe3O4)

المعالجة البيولوجية

(ب) توفر الأساليب البيولوجية بديلاً مستداماً منخفض التكلفة لإزالة المعادن الثقيلة من الرشوة، ولا سيما في المناطق ذات المناخ البسيط والأراضي المتاحة، ويمكن إجراء العلاج الأحيائي باستخدام [(FLT:0]]] الكائنات الدقيقة النصفية (بكتريا المحبة والأرخاء) التي تزدهر في بيئات عالية الصلوة، أو بواسطة نباتات ملونة]

وقد أدى هندسة البكتيريا القديمة الأخيرة إلى ظهور سلالات قادرة على تخزين معادن ثقيلة محددة، فعلى سبيل المثال، قام الباحثون بتعديل durans RadioDeinococcus للإعراب عن بروتينات الفلزات التي تربط الزئبق والكادميوم مع ارتفاع نسبة الكفاءة في إنتاج المواد الكيميائية بنسبة 24 في المائة.

Algal bioremediation also shows promise. Microalgae] such as ]Chlorella vulgaris and Dunaliella salina can accumulate heavy metals through adsorption

وفي حين أن الإصلاح البيولوجي مراعي للبيئة، فإن التحديات تشمل بطء معدلات التفاعل مقارنة بالعمليات الكيميائية أو المادية، والحساسية إزاء التقلبات في تكوين الرنة، والحاجة إلى التخلص من الكتلة الأحيائية الملوثة بعد التعرض لسوء المعاملة، ومع ذلك يجري استكشاف النظم المتكاملة التي تجمع بين البيولوجيا والخطوات الكهروكيميائية أو الكمبرانية للتغلب على هذه القيود.

النُهج الهجينة المتكاملة الناشئة

الامتصاص مع نوفل بيوكشار والمنتجات الصناعية

وبالإضافة إلى التكنولوجيات التقليدية، فإن الابتكارات الأخيرة تركز على استخدام مواد منخفضة التكلفة ومولدة بالنفايات من أجل إزالة المعادن الثقيلة من الرماد. Biochar) تنتج من مخلفات زراعية (مثلاً، قذائف الجوز الهندية، أكواخ الأرز، نفايات النخيل) قد عُدلت كيميائياً لتعزيز قدرتها على استيعاب المعادن(2).

إبطال مفعول الألغام وإشعالها

إن تسرب الأمبراني عملية محركة حراريا تستخدم حمراوة هيدروفوربيك للسماح بنقل البخار مع الاحتفاظ بالفول السوداني غير المزود بالطاقة الكهربائية، بما في ذلك المعادن الثقيلة، وعندما يقترن الرفض بالبلورة، يمكن للجهاز الاستغنائي المتعدد الكلور أن يركز على الارتداد بالغاز الحراري، مع تحريض نسبة مئوية من الأملاح المعدنية التي يمكن استعادتها على نحو 99.8 في المائة.

"إلى الأمام "أوزموسى" مُختلط مع "إلكترودياسيس"

ويستخدم التحلل السطحي للتدفقات المائية الجاهزة حلاً للاستخلاص من الماء العذب عبر حمض نصفي، مع الاحتفاظ بالمعادن الثقيلة، ثم يعاد تجديد حل السحب المخفف باستخدام عمليات منخفضة الطاقة مثل الصبغة الكهرومغناطيسية، وقد تحقق هذه التجربة الهجينة من المادة الفلورية معدلات مرتفعة للانتعاش (حتى 90 في المائة) وتركيز المعادن الثقيلة في مرحلة التعافي أو التخلص من المواد.

الآفاق المستقبلية والنظرات الاقتصادية

إن خط الإنشاءات المبتكر للتخلص من المعادن الثقيلة من صخور تحلية المياه غني، ولكن ترجمة النجاحات على نطاق المختبرات إلى الانتشار التجاري يتطلب التغلب على عقبات كبيرة، فتكامل النظام، والقدرة على البقاء على المدى الطويل، وفعالية التكلفة هي عوامل أساسية، فالكثير من التكنولوجيات المتقدمة - مثل أغلفة الموز أو الميكروبات الهندسية - لا تزال في مرحلة المختبرات أو المرحلة التجريبية، ولا يشمل التوسع أيضا مسائل تقنية بل أيضا تكاليف إنتاج المواد التي يجب أن تكون قادرة على المنافسة مع المواد.

ومع ذلك، فإن العوامل الاقتصادية التي تتحول إلى الابتكار، إذ أن الأنظمة البيئية الصارمة تفرض غرامات وتكاليف تنظيف تبرر الاستثمار في معاملة أكثر فعالية، بالإضافة إلى أن إمكانية استرداد المعادن - وخاصة المعادن القيمة مثل النحاس والنيكل والعناصر الأرضية النادرة - يمكن أن تعوض نفقات العلاج، كما أن تحليل عام 2023 الذي أجرته الرابطة الدولية للتحلل يقدر أن استعادة المعادن من الرملة يمكن أن يولد تركيزا سنويا يتراوح بين 15 و 20 مليون دولار من أجل مزرعة ساحلية كبيرة.

وستركز البحوث المقبلة على ] التكامل الذكي] للتكنولوجيات المتعددة في قطار معالجة واحد - على سبيل المثال، استخدام الصبغة الكهرومغناطيسية كمعاملة مسبقة لحماية أجهزة قياس التسلل في أسفل المجرى، تليها التلميع البيولوجي، كما يجري تطبيق الاستخبارات الفنية والتعلم الآلي على تحقيق الحد الأمثل من بارامترات التشغيل في الوقت الحقيقي، والحد من استخدام الطاقة واستهلاك المواد الكيميائية.

ودور الطاقة المتجددة هو سبيل واعد آخر، إذ أن التخصيب الكهربائي بالطاقة الشمسية والتشهير الرأسي يمكن أن يجعل معالجة الكربون محايدة، بما يتسق مع أهداف الاستدامة العالمية، وهناك مشاريع عديدة في الشرق الأوسط وشمال أفريقيا تقوم بالفعل باختبار هذه التشكيلات على نطاق تجريبي.

خاتمة

إن النُهج المبتكرة لإزالة المعادن الثقيلة من صمامات تحلية المياه آخذة في التطور بسرعة، إذ أن وجودها يُعزى إلى ضرورة حماية النظم الإيكولوجية البحرية والامتثال للمعايير البيئية المشددة، فالتقنيات الكيميائية الإلكترونية، والاختلاط القائم على التكنولوجيا النانوية، والوساطة البيولوجية، كل منها يوفر مزايا متميزة ويُحسَّن من خلال علوم المواد وهندسة العمليات، والنظم الهجينة التي تجمع بين أساليب متعددة تبدو واعدة بشكل خاص لتحقيق كفاءة عالية واسترداد الموارد.

المراجع الخارجية والقراءة الإضافية