Performance of a Two-Stage Ammonia Removal Technology Based on Advanced Oxidation Processes: Effects of Operating Conditions

إن الهواء الذي تفوح منه رائحة الأمونيا ليس مجرد مصدر إزعاج غير مستحب فحسب، بل هو مساهم كبير في الضرر البيئي. فعندما تنطلق هذه الغازات في الغلاف الجوي، لا سيما من الأنشطة الزراعية، فإنها تساعد في تكوين جزيئات دقيقة تؤدي إلى تدهور جودة الهواء، وتحمض التربة والمياه، وتسبب فرط المغذيات في النظم البيئية. ومع صرامة القواعد البيئية، لا يقتصر التحدي على إزالة هذا الغاز من تدفقات النفايات فحسب، بل في القيام بذلك دون خلق مشكلات جديدة، مثل المياه العادمة المكلفة أو التكاليف العالية للطاقة. وقد بحث العلماء طويلاً في عمليات الأكسدة المتقدمة كحل لهذه المعضلة؛ وهي طرق تستخدم تفاعلات كيميائية قوية، غالباً ما يتم تحفيزها بالضوء، لتفكيك الملوثات. والهدف هو تحويل الأمونيا الضارة إلى أشكال نيتروجينية مؤكسدة ومستقرة يمكن التقاطها وإعادة استخدامها، مما يحول منتجاً ضاراً إلى مورد.

قام فريق من الباحثين في جامعة أوفاستا التقنية وشركة ديكونتا (Dekonta) باختبار نظام محدد يتكون من مرحلتين مصمم لمعالجة هذه المشكلة. ويركز عملهم على تقنية تستخدم الأشعة فوق البصفة أولاً لمعالجة الهواء المحمل بالأمونيا، ثم تنقل المركبات الملتقطة إلى طور سائل حيث تُعالج ببيروكسيد الهيدروجين والمزيد من الضوء. أراد الباحثون فهم كيفية تأثير ظروف التشغيل لهذا النظام بدقة على قدرته على إزالة الأمونيا، وما هي مركبات النيتروجين المحددة التي تبقى خلفها. كما كانوا مهتمين بشكل خاص بما إذا كان بإمكانهم التحكم في العملية لإنتاج أنواع نيتروجينية مفيدة وقابلة للاسترداد بدلاً من خليط من النواتج الثانوية غير المرغوب فيها.

بدأت التجربة بهواء يحتوي على الأمونيا، والتي تم توليدها عن طريق تمرير الهواء عبر محلول من هيدروكسيد الأمونيوم. دخل هذا الهواء أولاً إلى المرحلة الأولى من النظام، وهو مفاعل مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ مجهز بمصابيح زئبق منخفضة الضغط تنبعث منها أشعة فوق بنفسجية بأطوال موجية محددة. واكتشف الباحثون أن وجود بخار الماء في هذه المرحلة كان أمراً حاسماً؛ فعندما تم ترطيب الهواء، تحسنت عملية إزالة الأمونيا بشكل ملحو Cap noticeable. ويشير هذا إلى أن بخار الماء يساعد في خلق الأنواع التفاعلية اللازمة لتفكيك الأمونيا. وحتى بدون الأشعة فوق البنفسجية، تمت إزالة بعض الأمونيا ببساً عبر امتصاصها في الماء، لكن الضوء جعل العملية أكثر فعالية بكثير. وقد أثبتت هذه المرحلة الأولى أن الرطوبة المتحكم بها هي عامل رئيسي في تهيئة الأمونيا للمرحلة التالية.

المرحلة الثانية من هذه التقنية هي حيث يحدث التحول الحقيقي. ينتقل الهواء، الذي يحمل الآن نواتج المرحلة الأولى، إلى جهاز غسل رطب (scrubber) ثم عبر سلسلة من المفاعلات الأنبوبية. هنا، يستخدم النظام محلولاً من بيروكسيد الهيدروجين، وهو عامل مؤكسد قوي، مقترناً بالأشعة فوق البنفسجية. هذا المزيج يولد جذور الهيدروكسيل، وهي جزيئات شديدة التفاعل تهاجم المركبات المشتقة من الأمونيا في الماء. ووجد الباحثون أن طريقة إضافة بيروكسيد الهيدروجين كانت مهمة للغاية؛ إذ إن إضافته بشكل متكرر حافظ على توفر إمداد ثابت من العامل المؤكسد، مما جعل العملية أكثر كفاءة. كما لاحظوا أن كمية الأمونيا الداخلة إلى النظام غيرت النتيجة؛ فعندما كانت الحمولة الأولية للأمونيا أعلى، أنتج النظام المزيد من النيتروجين المؤكسد، ولكن التوازن اختل؛ فبدلاً من تحويل كل شيء إلى نترات، وهي شكل مستقر من النيتروجين، تركت العملية المزيد من النتريت خلفها. يشير هذا إلى أنه عند مستويات الأمونيا المرتفعة، يواجه النظام صعوبة في إتمام الخطوة النهائية لتحويل النتريت إلى نترات.

كما تعين على الفريق تجاوز عقبة عملية في قياساتهم. فقد حاولوا في البداية قياس الأمونيا المتبقية في الماء مباشرة باستخدام اختبار كيميائي قياسي، لكنهم وجدوا أن بيروكسيد الهيدروجين في المحلول يتداخل مع النتائج، مما يجعل البيانات غير موثوقة. ولتجاوز ذلك، قاموا بقياس إجمالي كمية النيتروجين في الماء وتتبع الكميات المحددة للنتريت والنترات. ومن خلال النظر في توازن هذه المركبات، تمكنوا من تحديد كمية الأمونيا التي تم تحويلها بدقة. واكتشفوا أن ترك الماء لفترة أطول في المفاعلات لم يؤدِ تلقائياً إلى تحسين النتائج، وهذا الاكتشاف يسلط الضوء على أن الحركة الفيزيائية للسائل وتوفر العامل المؤكسد لا يقلان أهمية عن الوقت الذي يسلط فيه الضوء على الخليط.

يخلص البحث إلى أنه بينما تعد هذه التقنية ثنائية المرحلة فعالة، إلا أنها تتطلب ضبطاً دقيقاً لتعمل بأفضل حالاتها. وجد الباحثون أن ترطيب الهواء في المرحلة الأولى يعزز الأداء، وأن استراتيجية إضافة بيروكسيد الهيدروجين في المرحلة الثانية هي التي تحدد كفاءة التفاعل. ومع ذلك، للنظام حد معين: فعند إدخال الكثير من الأمونيا، تفضل العملية تكوين النتريت على النترات. ويقترح المؤلفون أن التحسينات المستقبلية يجب أن تركز على تحسين التدفق والظروف الكيميائية لدفع عملية التحويل إلى مرحلة النترات بالكامل، مما يضمن استعادة أقصى قدر من النيتروجين في شكل مستقر ومفيد. يوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة لتطوير تقنية يمكن أن تساعد في تنقية الهواء مع استعادة موارد قيمة من النفايات.