Experimental and Theoretical Investigation of Chemical Oxygen Demand Reduction in Industrial Petroleum Wastewater Using Electrocoagulation

تضخ المصافي والمنشآت الصناعية كل يوم كميات هائلة من المياه التي لا تشبه في شكلها الجداول الصافية التي نعرفها. غالبًا ما تكون مياه الصرف هذه كثيفة بالزيوت، والأتربة العالقة، والملوثات الكيميائية غير المرئية التي تجعل إطلاقها في البيئة أمرًا خطيرًا. أحد أكثر المشكلات استعصاءً هو مقياس يُسمى الطلب الكيميائي على الأكسجين، والذي يحسب جوهريًا مقدار الأكسجين الذي ستحتاجه المياه لتفكيك كل تلك الفضلات العضوية بداخلها. إذا كان هذا الرقم مرتفعًا جدًا، فقد تؤدي هذه المياه إلى خنق الأسماك وتدمير الأنظمة البيئية. مشكلة أخرى مرئية هي العكر، وهو مقياس لمدى عتامة المياه بسبب الجسيمات الصغيرة الطافية. إن تنظيف هذه المياه أمر صعب لأن الزيوت والأتربة غالبًا ما تشكل مستحلبات مجهرية مستقرة ترفض الاستقرار بمفردها. وتتضمن الطرق التقليدية صب كميات كبيرة من المجمعات الكيميائية، والتي يمكن أن تكون مكلفة وتخلق مشاكل نفايات خاصة بها. لطالما بحث العلماء عن طريقة أنظف وأكثر كفاءة لإجبار هذه الملوثات على التكتل معًا حتى يمكن إزالتها.

في دراسة حديثة، استكشف باحثون في جامعة يعسوب في إيران طريقة تسمى "التخثر الكهربائي" لحل هذه المشكلة. فبدلاً من إضافة المواد الكيميائية من زجاجة، تستخدم هذه التقنية الكهرباء لتوليد عوامل التنظيف مباشرة داخل مياه الصرف. تخيل خزانًا مليئًا بالمياه المتسخة ولوحين معدنيين مغمورين فيها. عندما يتم تشغيل التيار الكهربائي، يذوب اللوح الموجب، المصنوع من الألمنيوم، ببطء. ومع ذوبانه، يطلق أيونات الألمنيوم في الماء. تتفاعل هذه الأيونات فورًا مع الماء لتشكل مادة هلامية لزجة تُعرف باسم هيدروكسيد الألمنيوم. يعمل هذا الهلام مثل شبكة مجهرية، حيث يلتقط قطرات الزيت العائمة وجزيئات الأوساخ. وفي الوقت نفسه، ينتج اللوح السالب فقاعات صغيرة من غاز الهيدروجين. ترتفع هذه الفقاعات عبر الماء، وتلتصق بتكتلات الأوساخ والزيوت، وتحملها إلى السطح حيث يمكن كشطها. تعتمد العملية على توازن دقيق بين ثلاثة عوامل رئيسية: قوة التيار الكهربائي، ومدى حموضة أو قاعدية الماء، ومدة تطبيق الكهرباء.

لقد سعى الباحثون لإيجاد المزيج المثالي لهذه العوامل الثلاثة لتنظيف مياه بترول صناعية بأكبر قدر ممكن من الفعالية. استخدموا نهجًا إحصائيًا متطورًا لاختبار عشرين سيناريو مختلفًا، مع تغيير كثافة التيار، ومستوى الأس الهيدروجيني (pH)، ووقت المعالجة. بدأوا بمياه صرف ذات طلب كيميائي على الأكسجين يبلغ 16.5 جرام لكل لتر وعكر يصل إلى حوالي 231 وحدة، مما يشير إلى أنها ملوثة بشدة. وبينما كانوا يجرون تجاربهم، لاحظوا أن العملية تعمل بشكل أفضل عندما تكون المياه قريبة من التعادل وعندما يكون وقت المعالجة كافيًا للسماوة لتشكل هلام الألمنيوم ولتقوم الفقاعات بعملها. وجدوا أن التيار الكهربائي هو المحرك الذي يقود العملية؛ فالتيارات الأعلى تذيب المزيد من الألمنيوم وتنتج المزيد من الفقاعات، مما يؤدي عمومًا إلى تنظيف أفضل. ومع ذلك، أشاروا إلى أن رفع التيار بشكل مبالغ فيه لم يكن دائمًا هو الحل الأمثل، حيث يؤدي ذلك إلى إهدار الطاقة واستهلاك الألواح المعدنية بشكل أسرع دون تنظيف المياه بشكل أفضل بالضرورة.

كانت نتائج تحقيقهم مذهلة. ففي ظل أفضل الظروف التي حددوها، أزالت عملية التخثر الكهربائي 93 بالمائة من الطلب الكيميائي على الأكسجين و96.5 بالمائة من العكر. وهذا يعني أن المياه خرجت من خزان المعالجة وهي تبدو صافية تقريبًا وأكثر أمانًا من الناحية الكيميائية. قارن الفريق طريقتهم الكهربائية بطريقة كيميائية تقليدية تستخدم مجمّعًا شائعًا يسمى بولي ألومنيوم كلوريد. وبينما استطاعت الطريقة الكيميائية إزالة حوالي 75 بالمائة من العتامة، تفوقت الطريقة الكهربائية عليها بشكل كبير. وحتى عندما حاولوا الجمع بين الطريقتين، كان التحسن طفيفًا فقط، مما يشير إلى أن العملية الكهربائية وحدها كانت فعالة للغاية وقد تقلل من الحاجة إلى إضافة مواد كيميائية إضافية. أكدت الدراسة أن إزالة الملوثات حدثت من خلال مزيج من الآليات: حيث قام هلام الألمنيوم بتحييد الشحنات الكهربائية على جزيئات الأوساخ، مما جعلها تلتصق ببعضها البعض، بينما رفعت الفقاعات الصاعدة تلك الكتل الثقيلة إلى الأعلى.

وعلى الرغم من نسب النجاح العالية هذه، فقد حرص الباحثون على الإشارة إلى أن هذا ليس حلاً سحريًا يحل كل المشكلات فورًا. فقد أشاروا إلى أن الألواح المعدنية يمكن أن تصبح مغطاة في النهاية بطبقة من المواد التي تمنعها من العمل بكفاءة، وهي ظاهرة تُعرف باسم "الخمول" (passivation)، والتي ستتطلب صيانة أو تنظيفًا في مصنع واقعي. كما أكدوا أنه بينما كانت النتائج المخبرية ممتازة، فإن تشغيل هذا النظام على نطاق واسع سيتطلب حسابًا دقيقًا لتكاليف الطاقة واستبدال الأقطاب الكهربائية. لم تدّعِ الدراسة أنها حلت مشكلة مياه الصرف الصناعي بالكامل، لكنها قدمت دليلًا قويًا على أن التخثر الكهربائي أداة قوية وفعالة. ومن خلال إظهار أن الكهرباء يمكن أن تحل محل أو تقلل الحاجة إلى المواد الكيميائية القاسية، يقدم هذا العمل مسارًا واعدًا للصناعات التي تتطلع لتنظيف مياهها بشكل أكثر استدامة. وتشير النتائج إلى أنه مع الإعدادات الصحيحة، يمكن لهذه الطريقة أن تحول مياه الصرف الصناعي شديدة التلوث إلى مياه أنظف وأكثر أمانًا للبيئة بشكل ملحوظ.