Industrial mineral suspension treatment with alkali dissolved cellulose-based flocculants
تُظهر هذه الدراسة أن السليلوز المذاب في القلويات والسليلوز المفسفر، بما في ذلك تلك المشتقة من منسوجات البوليستر والقطن المعاد تدويرها، تعمل كمخثرات خضراء فعالة ومستدامة تقلل بشكل كبير من العكارة في المعلقات المعدنية الصناعية المختلفة عن طريق تشكيل جسور سليلوزية صلبة بين الجسيمات.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في صناعة التعدين، غالبًا ما تترك عملية استخراج المعادن القيمة من الصخور وراءها ملاطًا عكرًا من الماء وجزيئات دقيقة وعنيدة. هذه الذرات الدقيقة من غبار المعادن يصعب التعامل معها؛ فهي ترفض الغرق بشكل طبيعي، مما يحافظ على عكارة المياه ويمنع إعادة تدويرها في المصنع. وإذا تم إطلاق هذه المياه العكرة في البيئة، يمكنها حجب ضوء الشمس عن قيعان الأنهار والإضرار بالحياة المائية. ولحل هذه المشكلة، يلجأ المهندسون تقليديًا إلى إضافة مواد كيميائية اصطناعية تسمى "المخثرات" (flocculants). وهي عبارة عن جزيئات طويلة السلسلة تعمل مثل الشبكة، حيث تلتقط الجزيئات العائمة وتربطها معًا في كتل أكبر تغوص بسرعة. ومع ذلك، فإن هذه المواد الكيميائية التقليدية مصنوعة من بلاستيك يتحلل ببطء شديد ويُنتج باستخدام مكونات سامة، مما يخلق مشكلة بيئية جديدة أثناء محاولة حل مشكلة قديمة.
استكشف باحثون في جامعة آلتو في فنلندا مسارًا مختلفًا، حيث توجهوا نحو مادة وفيرة ومتجددة وتتحلل بسهولة: السليلوز. وهو المكون الهيكلي الرئيسي لجدران الخلايا النباتية، الموجود في كل شيء من القطن إلى الخشب. بحث الفريق فيما إذا كان إذابة السليلوز في محلول قلوي قوي يمكن أن يكون بديلًا أخضر للمخثرات الاصطناعية. وقد اختبروا هذا النهج على ثلاثة أنواع مختلفة من الخلطات المعدنية: معلق مختبري من التلك، وتيار مائي يتدفق من خزان التثخين في منجم، وتدفق من مياه الصرف الناتجة عن عملية الطفو. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان هذا الحل المستمد من النبات يمكنه تصفية المياه بفعالية مثل الخيارات الاصطناعية دون ترك بقايا ضارة.
قام العلماء بإعداد مخثراتهم عن طريق أخذ شكلين من السليلوز: أحدهما مستخلص من ألياف القطن القياسية، والآخر مسترجع من مزيج المنسوجات من البوليستر والقطن المستعملة. قاموا بإذابة هذه المواد في محلول هيدروكسيد الصوديوم، وهي عملية تفكك البنية الصلبة لألياف السليلوز إلى حالة سائلة. ولرؤية ما إذا كان بإمكانهم تحسين الأداء، عالجوا أيضًا بعض السليلوز بمركب فوسفات، وهو تعديل كيميائي يهدف إلى تغيير كيفية تفاعل الجزيئات مع الجسيمات المعدنية. ثم خلطوا هذه المحاليل مع المعلقات المعدنية وراقبوا مدى سرعة تصفية المياه.
أظهرت النت la النتائج أن العلاجات القائمة على السليلوز عملت بشكل جيد للغاية. ففي الاختبارات المختبرية مع التلك النقي، أدى إضافة محلول السليلوز إلى تقليل عكارة المياه بنسبة تزيد عن 99.8 بالمائة في غضون عشر دقائق. وكان إصدار السليلوز المعالج بالفوسفات يعمل بشكل أفضل قليلاً، لا سيما في الدقيقة الأولى من الترسيب، مما يشير إلى أن التعديل الكيميائي ساعد الجزيئات على الإمساك بالجسيمات المعدنية بسرعة أكبر. وعندما انتقل الفريق إلى عينات من العالم الحقيقي من منجم فنلندي، كانت النتائج واعدة بنفس القدر. فبالنسبة لتدفق المثخن، الذي بدأ بمستوى متوسط من العكارة، نجح كمية ضئيلة من محلول السليلوز المعالج بالفوسفات في تصفية المياه بشكل كبير، حيث قلل العكارة بنسبة تقارب 97.5 بالمائة بعد عشر دقائق فقط. أما بالنسبة لمخلفات الطفو الأكثر اتساخًا، فقد تطلب الأمر جرعة أعلى من المخثر، لكنه نجح في تصفية المياه إلى مستوى انخفضت فيه العكارة بنسبة 99.9 بالمائة.
كان الاكتشاف الرئيسي في الدراسة هو دور المحلول القلوي نفسه. نظرًا لأن السليلوز يُذاب في قاعدة قوية، فإن إضافة المخثر ترفع أيضًا من درجة حموضة (pH) الماء. ووجد الباحثون أن هذا التغيير في الحموضة، بالتزامن مع وجود أيونات المغنيسيوم الموجودة بالفعل في الماء، ساعد الجسيمات المعدنية على التكتل حتى قبل أن تبدأ ألياف السليلوز في العمل. وهذا يشير إلى أن الخليط بأكمله يعمل كأداة مزدوجة الغرض، حيث تعمل البيئة الكيميائية والألياف الفيزيائية معًا لتسريع عملية الترسيب.
لفهم كيف يحدث هذا في الواقع، استخدم الباحثون مجهرًا قويًا لفحص المواد الصلبة المترسبة. وكشفت الصور أنه مع اختلاط محلول السليلوز بالماء ثم تجدده إلى شكل صلب، فإنه خلق جسرًا فيزيائيًا بين الجسيمات المعدنية. لم يقم السليلوز بمجرد تغليف الجسيمات؛ بل شكل بنية مسامية تشبه الشبكة تتداخل مع رقائق المعادن الناعمة، مما يربطها في كتل أكبر وأثقل يمكنها الغوص بسرعة. ويبدو أن آلية الجسر الفيزيائي هذه هي الطريقة الأساسية التي تنظف بها المادة النباتية المياه.
تناولت الدراسة أيضًا الجانب العملي لاستخدام المواد المعاد تدويرها. وقد أدى السليلوز المستخرج من الملابس القديمة المكونة من البوليستر والقطن إلى أداء مماثل للسليلوز عالي النقاء الذي يتم شراؤه من مورد كيميائي. وهذا يشير إلى أن المنسوجات المستعملة يمكن أن تكون مصدرًا قابلًا للتطبيق لهذه المخثرات، بشرًا بشرط تصفية ألياف البوليستر الصغيرة خلال العملية لمنع دخولها مرة أخرى إلى الماء كلدائن دقيقة (microplastics). وبينما يتطلب استخدام المحلول القلوي كمية صغيرة من الحمض لمعادلة الماء لاحقًا، أشار الباحثون إلى أن المقايضة هي التحول من استخدام البلاستيك الاصطناعي المستمر إلى بوليمر آمن وقابل للتحلل الحيوي. ويمكن استخدام كتل المعادن والسليلوز الناتجة كأدوات حشو في المنتجات الورقية، مما يحول تدفق نفايات التعدين إلى مورد. إن هذا العمل يثبت أن نهجًا بسيطًا يعتمد على النبات يمكنه بفعالية معالجة المشكلة الصعبة المتمثلة في تصفية مياه المعادن الصناعية، مما يوفر بديلًا مستدامًا للمواد الكيميائية الاصطناعية المستخدمة حاليًا.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.