Table of Contents
الحاجة المتزايدة إلى رصد نوعية المياه في الوقت الحقيقي
إن الوصول إلى المياه النظيفة هو أحد أكثر التحديات العالمية إلحاحا في القرن الحادي والعشرين، إذ أن الملوثات مثل المعادن الثقيلة ومبيدات الآفات والمستحضرات الصيدلانية والمسببات للأمراض المجهرية تدخل إمدادات المياه من التصريف الصناعي والهروب الزراعية والهياكل الأساسية الناشئة، بينما تتطلب أساليب التحليل المختبري التقليدية ساعات أو أياماً للعودة، مما يجعل المجتمعات المحلية عرضة للمخاطر الصحية خلال الفترة الفاصلة، ولم يكن الطلب على نظم الكشف المستمر عن الارتداد أعلى من أي وقت مضى.
وهذه الأجهزة تحول حدثا كيميائيا إلى إشارة كهربائية، مما يتيح للمشغلين رؤية التغيرات في نوعية المياه على الفور تقريبا، لأنها يمكن أن تصبح صغيرة وغير مكلفة، ومستشعرات كهربائية منخفضة القدرة، تدمج بصورة متزايدة في شبكات الاستشعار الموزعة التي تراقب مستجمعات المياه بأكملها، وتستكشف هذه المادة المبادئ التي تقوم عليها أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية، وكيف تكتشف الملوثات المحددة، ومزاياها بالنسبة للطرق الأخرى، والابتكارات.
ما هي أجهزة الاستشعار الكيمائية؟
أجهزة الاستشعار الكيميائي الكهربي هي أجهزة تحليلية تقيس الناتج الكهربائي المنتج عندما يتفاعل محلل مستهدف مع سطح الكهرومغناطيسي معدل كيميائياً ويمكن أن ينطوي التفاعل على الأكسدة أو التخفيض أو الامتصاص أو التعقد، حيث يغير كل منها المستوى الحالي أو الفول أو الازدحام، ويتكون جهاز الاستشعار عادة من ثلاثة عناصر رئيسية: [المادة 5]
وتمتد أجهزة الاستشعار الكيميائي الكهربي إلى عدة فئات عريضة تستند إلى البارامترات الكهربائية المقاسة، وتكشف أجهزة الاستشعار الضوئي عن التغيرات في الجارية في الإمكانات الثابتة التطبيقية؛ وتقيس أجهزة الاستشعار الطبقية التحول الفولطي في ظل الظروف الحالية القريبة من الصفر؛ وتتتبع أجهزة الاستشعار المقاييس تغيرات في طريقة سير الحلول؛ وتمسح أجهزة الاستشعار المقياس الفولطوميترية نطاقاً فولتياً للحصول على مواصفات مختلفة من حيث القوة الحالية.
وبالنسبة لرصد نوعية المياه، تستهدف أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية الأكثر شيوعاً المعادن الثقيلة (الجلود والكادميوم والزئبق والزرنيخ) والمغذيات (النيترات والفوسفات) والمركبات العضوية الأكسدة (الفول السوداني، والطلب على الأكسجين الكيميائي الأحيائي)، والملوثات الخالي من الكلور المستخدمة في التفكيك، وتتوسع البحوث في استخدام الخيوط المجهرية، ومضات.
كيف يمكن للمستشعرين الكيميائيين أن يكتشفوا ملوثات المياه؟
وتبدأ عملية الكشف عندما تتدفق عينة من المياه أو تتصل بالكهرباء العاملة للمستشعر، ويطبق متحول الكهروكيميائي إمكانية خاضعة للرقابة أو حالية، مما يؤدي إلى رد فعل مكرر محدد على الجزيئات المستهدفة، مثلا عندما يصادف جهاز الاستشعار أوتارا (Pb2+)، يمكن أن تقلل من إمكانية الرصاص إلى المعادن، مما ينتج عنه تيار كثيف يمكن قياسه.
Disectping is achieved through multiple strategies. Molecularly immetaled polymers) create cavities that fit only the target molecule’s shape and functional groups. ]Enzyme-modified electrodes[Fub-bloce:3] exploit the high specificity of biological incentives-glucose
وتعالج الإشارة المقيسة دائرة صغيرة من دوائر البيوتنتيو، تدمج في كثير من الأحيان مع جهاز ملوثات دقيقة يرشّح الضوضاء ويحسب التركيز وينقل البيانات دون سلك، ويمكن للمستشعرات الحديثة أن تعمل على البطاريات أو الطاقة الشمسية، مما يجعلها مناسبة لمحطات الرصد عن بعد، غير أن التشغيل المستمر يتطلب إدارة دقيقة لأجهزة الإلكترود العاملة - طبقة من المواد العضوية أو الملح المكبوت.
ألف - مزايا أجهزة الاستشعار الكيميائي الكهربي لرصد الزمن الحقيقي
ويقود اعتماد أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية في شبكات نوعية المياه عدة فوائد واضحة تعالج القيود المفروضة على الأساليب التقليدية.
الاستجابة الفورية
وعلى عكس الاختبارات المختبرية التي تتطلب جمع العينات، والنقل، وتحليل الدفعة، توفر أجهزة الاستشعار الكهروكيميائي نتائج في غضون ثوان إلى دقائق، وهذه القدرة على الوقت الحقيقي ضرورية عندما تكون أحداث التلوث متقطعة، مثل نبضات السائل الصناعي أو الانسكابات العرضية، ويتيح الإنذار المبكر لمصانع المعالجة تعديل الجرعات الكيميائية أو تحويل المياه الملوثة قبل أن تصل إلى الجمهور.
التنقل ودرجة سلاسة النشر
ويمكن إقامة أجهزة استشعار كهربية كهربائية في ضواحي صغيرة ومثقفة تتناسب مع الأنابيب أو البئر أو الطائرة بدون طيار، ويعني استهلاكها المنخفض للطاقة وقلة المستودعات أن بإمكانها العمل دون قيد لأسابيع، وهذا التنقل يتيح الرصد في المصدر وفي شبكات التوزيع وفي المعلومات التي لا يمكن أخذها في عينات مركزية عند نقطة الاستخدام.
التكلفة - الأثر
وقد يكلف محلل واحد من أجهزة القياس المجهزة بمختبرات الحاسوب عشرات الآلاف من الدولارات، ويضيف كل تحليل لعينات تكاليف العمل والتكاليف الاستهلاكية، وتُختلق أجهزة الاستشعار الكيميائي الكهربي باستخدام لوحة الدوائر المطبوعة وطرق الطباعة الشاشة الثابتة، وتخفض تكاليف الوحدة إلى عشرات الدولارات، وعلى الرغم من أن أجهزة الاستشعار لها عمر محدود وتتطلب استبدالا دوريا، فإن تكلفة المعمل الإجمالية أقل من إرسال العينات.
الوعي في التركيزات المنخفضة
وتضر كميات كبيرة من الملوثات المائية بمستويات التعقب، وتضع منظمة الصحة العالمية ] قيماً توجيهية للرصاص عند 10 ميكروغرام/لتر، والزرنيخ عند 10 ميكروغرام/لتر، والكادميوم عند 3 ميكروغرام/لتر.
هاء - سهولة الاستخدام
ويصمم جهاز الاستشعار الكهروكيميائي القابل للنشر الميداني للمشغلين دون تدريب متقدم في مجال الكيمياء، ويدخل المستعمل جهاز الاستشعار ويقرأ القيمة المثبتة ويمكنه اتخاذ إجراءات، وتبسط بروتوكولات المعايرة الآلية والطرائق المبرمجة في المصنع العمليات، وتخفض من الخطأ البشري، ويمكن ربط بعض أجهزة الاستشعار بأجهزة الهاتف الذكي لقطع البيانات والتنبيهات عن بعد.
أنواع أجهزة الاستشعار الكيمائية الكهربية وتطبيقاتها
ويساعد فهم أنواع الاستشعار الرئيسية على تطابق التكنولوجيا مع هدف الرصد.
أجهزة الاستشعار الضوئية
وتقيس هذه أجهزة الاستشعار التي تولدت حالياً عندما يُتأكسد المحلول أو يُخفض بقدر ثابت من الطاقات التطبيقية، وهي تستخدم على نطاق واسع في رصد الكلورين والمكسينات المذابة في معالجة المياه، ويتناسب هذا المقياس مباشرة مع التركيز على نطاق خطي واسع، وتشمل التطورات الأخيرة أجهزة استشعار مختصرة للأشعة فوق البنفسجية تستند إلى الانزيمات الفوقية للجليدوكسجين والبوئية (طلب على الأوكسجين البيوميض).
أجهزة الاستشعار عن بعد
وتقيس الأجهزة المقياسية المحتملة، بما في ذلك الكهروود الانتقائية الأيونية، الفرق المحتمل بين الكهرومغناطيسي العامل والكهرباء المرجعية تحت الصفر، وتأتي الإشارة في أعقاب معادلة النيرنست، وتعطي استجابة لوغاريثية لنشاط الأيون، وتتوفر نظم إيستس من الناحية التجارية للفلوريد والناترات والبوتاسيوم والبوهيد.
أجهزة الاستشعار اللامتكافئية
وترصد أجهزة الاستشعار المقاييسية التغير في السلوك الكهربائي للحل الذي تسببه الأنواع الأيونية المنتجة أو المستهلكة من جراء رد فعل، وهي بسيطة ورخيصة ولكنها أقل تحديدا ما لم تستخدم بطبقة انتقائية أو انزيمية، وتشمل التطبيقات الكشف عن المواد الصلبة المتحللة بالكامل ورصد التقدم المحرز في ردود الفعل الانزيمية.
أجهزة الاستشعار المحتوية على مقياس للفولتامتر
فالطرق المقياسية للفولتامى، مثل قياس الترميزات الدورية ومقياس التحلل، توفر ثروة من المعلومات عن هوية وتركيز التحليل، ولأنها تسجل حالياً كوظيفة من وظائف الإمكانات التطبيقية، فإنها يمكن أن تكتشف الملوثات المتعددة في وقت واحد من خلال إمكانات الذروة المميزة، فمقياس التحلل الحراري هو المعيار الذهبي لاكتشاف المعادن المتبصقة في المياه، كما يقوم الباحثون بتطوير صفائف اللامترية " .
التطبيقات العالمية الحقيقية لأجهزة استشعار المياه الكهربية
وقد انتقلت التكنولوجيا إلى ما وراء المختبر، وهي الآن منتشرة في بيئات متنوعة.
نظم توزيع مياه الشرب
وتضع مرافق المياه أجهزة استشعار الكهروكيميائية في مواضع رئيسية لرصد الكلور المتبقي، والهكلور، والفلزات الثقيلة، وتغذي هذه أجهزة الاستشعار في نظم الرقابة الإشرافية واقتناء البيانات التي تعدل تلقائياً الجرعات المثبطية، فعلى سبيل المثال، دعمت [التدفقات المتعددة] من وكالة الحماية البيئية (Real Protection Agency)
المياه الصناعية والبلدية
ويتعين على الصناعات التي تفريغ المعادن الثقيلة أو الملوثات العضوية رصد السائل بموجب قانون المياه النظيفة أو اللوائح المكافئة في أماكن أخرى، وتوفر أجهزة الاستشعار الكيميائي الكهربي أجهزة قراءة مستمرة، وتنبيه المشغلين عندما تفشل خطوة العلاج، وفي النباتات البلدية، تتعقب أجهزة الاستشعار الأمونيا والنيترات والأورفوف لتعظيم إزالة المغذيات البيولوجية وتخفيض التكاليف الكيميائية.
الزراعة وتربية الأحياء المائية
ويحمل الركض من الحقول الخصبة النيتروجين والفوسفور في المجاري المائية، مما يسبب تذبذبات الطحالب، وتعطي أجهزة الاستشعار المنتشرة في أبراج الصرف، والمجاري، وقنوات الري المزارعين معلومات آنية لتعديل تطبيق الأسمدة، وفي تربية الأحياء المائية، تمنع تسرب الأكسجين وأجهزة استشعار الصحة من وفيات الأسماك؛ وتجعل أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية المنخفضة إمكانية الرصد من الناحية الاقتصادية.
الرصد البيئي في المناطق النائية
ويمكن تجهيز أجسام المياه السطحية، وآبار المياه الجوفية، وحتى نافورة مياه الشرب في البلدان النامية بأجهزة الاستشعار الكهروكيميائية ذات الطاقة الشمسية، وتُنقل البيانات عبر شبكات الخلايا أو السواتل إلى قواعد بيانات مركزية، وتُجري محاكمات في منظمات مثل UNICEF] و ]Water.org.
الابتكارات الأخيرة التي دفعت الميدان إلى الأمام
وهناك عدة اتجاهات بحثية توسع نطاق ما يمكن أن تحققه أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية.
المواد النانوية لتحسين الأداء
كما أنَّ هذه المواد التي تُحدِّد من المواد السطحية الكهربية والقيادة، والتي تُستثنى من ذلك، هي مواد مُستحثة من مادة الأشعة السينية، والتي تُحدِّد أيضاً من المواد المضغوطة التي تُقدِّم مواداً مُعدَّدة للجرعات السطحية () قد أظهرت حدوداً للكشف عن الزئبق والرصاص دون المستوى.
Micro- and Nano —Electrodes
ويغير تقلص حجم الكهرباء إلى أبعاد قياسات دقيقة أو نانوميتر سلوك الانتشار، مما يؤدي إلى ارتفاع الكثافة الحالية وسرعة الاستجابة، ويمكن اختلاق صفائف المايكرويك الدقيقة على أساس مضاربة فرعية مرنة، مما يتيح أجهزة استشعار قابلة للذوبان أو قابلة للتطابق لرصد نوعية المياه في الأنابيب، بل وحتى داخل الجسم البشري (للتطبيقات الطبية)، كما أنها تتطلب قدراً أقل من أحجام العينات - ميزة حرجة عند الحد من العينات.
التكامل مع شبكات الاستشعار اللاسلكية وشبكة ايوت
وتخلق أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية التي تعمل بالأجهزة اللاسلكية ذات الطاقة المنخفضة والملوثات الدقيقة شبكة إنترنت من أشباه السحب التي ترسل بيانات إلى السحابة، ويمكن لهذه الشبكات أن تغطي مستجمعات المياه بأكملها، وتوفر صورة سريعة عن التلوث، وتقوم الخوارزميات التعليمية الماكنة بتحليل الأنماط التاريخية للتنبؤ بالانتهاكات المحتملة واتخاذ إجراءات وقائية.
أجهزة الاستشعار المتعددة الأبعاد والقائمة على أساس آري
وبدلا من جهاز الاستشعار الوحيد، يمكن لمجموعة من الكهروديسات التي تعدل مع مختلف أنواع الانتقائية أن تحلل عدة محللات في قطرة واحدة من المياه، ويجري تحليل نمط الإشارة مجتمعة باستخدام تحليل المكونات الرئيسية أو الشبكات العصبية لتصنيف نوعية المياه، ويجري حاليا تسويق نظم " التنغي " هذه لتصنيف نوعية المياه بصورة روتينية.
التحديات والبحوث الجارية
ورغم الوعد، فإن عدة عقبات تحد من انتشار التبني.
Electrode Fouling and Lifetime
المادة العضوية، نمو الرش الحيوي، مع تكبير سطح الكهروود عبر الزمن، حساسية ودقة مهينة، ويقوم الباحثون بتطوير الكهرومغناطيسي للتنظيف الذاتي الذي يستخدم الاهتزاز فوق الصوتي، أو اليأس الكهروكيميائي، أو التغليف الضوئي لتي أو 2، وثمة نهج آخر يتمثل في استخدام سطح كهربائي متجدد، مثل فيلم متجدد خال من الزئبق.
الانتقائية والتداخل
فالمياه الطبيعية تحتوي على أنواع كثيرة يمكن أن تولد إشارات زائفة، فعلى سبيل المثال، تتداخل أفران الكلوريد مع ذروة التعري الفلزي الثقيل، ويمكن للأحماض العضوية التي تحدث طبيعيا أن تخفي إشارات المبيدات، كما أن المعالجة الكيميائية المتقدمة، وطرق الاختزال المزدوجة الكترونيا، والأغشية البلاستيكية (مثل النافيون) تساعد على حل الإشارات المتداخلة.
درفت و Accuracy
:: تغيرات الاستجابة الحسّاسة بمرور الوقت بسبب الشيخوخة الكهرومغناطيسية، وتحولات درجة الحرارة، وتغيرات الكيمياء الحلية، إذ يلزم إعادة التكيّف المنتظم مع المعايير، ولكن نظم المعايرة الآلية تضيف تعقيدا وتكلفا، وتشمل نُهج التكفير استخدام المعايير الداخلية أو أجهزة الاستشعار المرجعية التي تعوض عن الانجراف في الوقت الحقيقي، كما يمكن أن تصحح نماذج التعلم الماكنة التي تم تدريبها على البيانات التاريخية لخط الأساس، مما يقلل الحاجة إلى تواتر الاحتيا في معايرة الموقع.
توحيد المعايير والموافقة التنظيمية
وكثيراً ما تتطلب الهيئات التنظيمية أساليب مصدق عليها ذات دقة ودقة معروفة قبل الموافقة على أجهزة الاستشعار لرصد الامتثال، ويجب أن تخضع أجهزة الاستشعار الكيميائي الكهربي لفحص دقيق ضد الأساليب المرجعية، وستبدأ الجهود التعاونية مثل سلسلة ISO23 الخاصة بجودة المياه في توحيد القياسات الكهروكيميائية، التي ستسهل مسارات الموافقة.
الاستنتاج: الطريق نحو رصد المياه في الوقت الحقيقي
وقد نضجت أجهزة الاستشعار الكيمائية الكهربائية لتصبح تكنولوجيا عملية تلبي الحاجة الملحة إلى بيانات مستمرة عن نوعية المياه في الموقع، وقدرتها على اكتشاف مجموعة واسعة من الملوثات ذات التركيزات المنخفضة، مقترنة بتدني تكلفة الانتشار وسهولة نشره، وتضعها كحجر أساسي للإدارة الحديثة للمياه، وفي حين أن التحديات مثل الرغوة والانجراف لا تزال قائمة، فإن سرعة الابتكار في المواد النانوية، والتكامل بين الأجهزة، والحواجز المضطربة في البيانات(أ).
وتستثمر الحكومات والمرافق والباحثون في شبكات الاستشعار التي يمكن أن توفر الإنذار المبكر، وتعظيم عمليات العلاج، وحماية الصحة العامة، ومن المرجح أن يشهد العقد القادم أن أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية شائعة في نظم المياه باعتبارها أجهزة قياس حرارة أو مقياس ضغط، وبالنسبة للمجتمعات المحلية في العالم التي لا تزال تفتقر إلى مياه الشرب المأمونة، فإن هذه التكنولوجيا توفر مساراً قابلاً للارتقاء نحو الرصد المستمر، وفي نهاية المطاف، نتائج صحية أفضل.