Sulphate removal from synthetic acid mine drainage by iron-impregnated coconut shell biochar: role of iron retention and surface accessibility

عندما يسقط المطر على المناجم المهجورة، فإنه غالباً ما يتسرب عبر أكوام الصخور المكشوفة ويلتقط مزيجاً ساماً من المعادن والأحماض. هذا الجريان السطحي، المعروف باسم تصريف المناجم الحمضي، يتدفق إلى الأنهار والجداول، محولاً لون المياه إلى البرتقالي الصدئ وجعلها بيئة معادية للحياة. أحد أكثر المشكلات استعصاءً في هذه المياه المتسخة هو الكبريتات، وهو مركب كيميائي تجد مادة "الجير"، وهي عامل تنظيف شائع، صعوبة في إزالته بفعالية. ولأن الكبريتات تظل ذائبة، يمكنها الانتقال لمسافات بعيدة في مجرى النهر، مما يسبب أضراراً طويلة الأمد للأنظمة البيئية. وقد بحث العلماء عن طرق أفضل لاحتجاز أيونات الكبريتات هذه، ومؤخراً، وجهوا اهتمامهم إلى مادة متواضعة: الفحم المصنوع من قشور جوز الهند. ومن خلال معالجة هذا الفحم بالحديد، يأمل الباحثون في إنشاء مرشح يعمل مثل المغناطيس للكبريتات، حيث يسحبها من الماء قبل أن تسبب الضرر.

في دراسة حديثة، وضع الباحثون هدفاً لفهم كيفية جعل هذا الفحم المعالج بالحديد يعمل بأفضل طريقة ممكنة. بدأوا بقشور جوز الهند، التي قاموا بحرقها في درجات حرارة عالية لإنتاج مادة مسامية سوداء تسمى "الفحم الحيوي" (biochar). بعد ذلك، تم نقع هذا الفحم الحيوي في محلول يحتوي على الحديد، حيث حاول الباحثون تجربة كميات مختلفة من الحديد بالنسبة لوزن القشور. اختبروا ثلاثة خليط محددة، باستخدام نسب من الحديد إلى الفحم الحيوي تعادل نصف الوزن، وأكثر قليلاً من النصف، وتساوي وزن القشور. وبعد تسخين هذه المخاليط، فحصوا المواد لمعرفة مقدار الحديد الذي التصق بالفعل بالسطح وبأي شكل. ووجدوا أنه بمجرد تجاوز كمية الحديد المضافة حداً معيناً، فإن الحديد الزائد لا يبقى على الفحم؛ بل يغسل ببساطة أو يفشل في الالتصاق. وهذا يعني أن الخليطين اللذين احتويا على أعلى كميات من الحديد امتلكا نفس الكمية الإجمالية من الحديد، رغم أن أحدهما بدأ بكمية أكبر.

جاء الاكتشاف الحقيقي عندما اختبر الفريق مدى قدرة هذه المواد على تنقية المياه. قاموا بخلط أنواع الفحم المختلفة مع "تصريف مناجم حمضي اصطناعي"، وهو نسخة مخبرية من المياه الملوثة تحتوي على تركيز عالٍ من الكبريتات. أظهرت النتائج أن امتلاك أكبر قدر من الحديد لا يعني بالضرورة امتلاك الأكثر فعالية. فقد كان الخليط الذي يحتوي على الكمية المتوسطة من الحديد هو الأفضل أداءً، حيث أزال ما يقرب من تسعين بالمائة من الكبريتات، بينما كان الخليط ذو أعلى حمل من الحديد أقل فعالية في الإزالة. نظر الباحثون بدقة إلى سطح المادة الأفضل أداءً ورأوا أن الحديد كان منتشراً في مجموعات صغيرة غير مرئية بدلاً من تشكيل بلورات صلبة كبيرة. هذا الحديد الناعم والمنتشر خلق نقاطاً أكثر سهولة للوصول يمكن للكبريتات أن تتشبث بها. وفي المقابل، كانت المواد الأخرى تحتوي على حديد أقل قدرة على القيام بالعمل، مما أثبت أن ترتيب الحديد على السطح أهم من مجرد الكمية الإجمالية المضافة.

وللتأكد من هذه النتائج، أجرى الباحثون سلسلة من الاختبارات على المادة الأفضل أداءً، من خلال تغيير كمية الفحم المستخدم ومدة بقائه في الماء. ووجدوا أن عملية التنقية تمت بسرعة، حيث تمت إزالة معظم الكبريتات في غضون ساعة واحدة. اتبعت العملية نمطاً يمكن التنبؤ به، حيث كان الفحم يلتقط أيونات الكبريتات بشكل ثابت بمرور الوقت. وعندما قارنوا بين النماذج الرياضية المختلفة التي تصف هذه العملية، وجدوا أن النموذج الذي يأخذ في الاعية السطح غير المستوي للفحم كان أكثر دقة في وصف البيانات من النموذج الذي افترض وجود سطح أملس تماماً. وقد أكد هذا أن ملمس الفحم الخشن والمعقد كان مفتاح نجاحه. وخلصت الدراسة إلى أن مجرد إلقاء المزيد من الحديد على الفحم يعد هدراً للموارد إذا تجاوز قدرة المادة على الاحتفاظ به. بدلاً من ذلك، فإن النهج الأكثر فعالية هو إيجاد "النقطة المثالية" حيث يكون الحديد محتفظاً به بالكامل ومنتشراً بطريقة تجعل من السهل على الكبريتات الوصول إليه. هذا المزيج المحدد من فحم قشور جوز الهند والحديد يقدم خطوة أولى واعدة ومنخفضة التكلفة لتنظيف تصريف المناجم الحمضي، محولاً منتجاً مهملًا إلى أداة قوية لحماية المياه.