Influence of iron and cobalt on oxalic acid degradation during underwater non-thermal plasma treatment of simulated chemical decontamination effluents
تُظهر هذه الدراسة أن كفاءة معالجة البلازما غير الحرارية تحت الماء لتفكيك حمض الأكساليك في مياه الصرف المحاكية للتطهير الكيميائي تتأثر بشكل كبير بوجود الحديد والكوبالت، كما يتضح من التحلل الأبطأ بشكل ملحوظ والامتصاص الضوئي المستمر الملاحظ في المحاليل التي تحتوي على الحديد فقط مقارنة بالتركيبات الأخرى.
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
عندما يتم إخراج محطة طاقة نووية من الخدمة، يجب تنظيف مكوناتها المعدنية من الغبار المشع والتآكل قبل أن يمكن إعادة تدويرها أو التخلص منها بأمان. وللقيام بذلك، غالبًا ما يستخدم العمال محلول تنظيف قوي يعتمد على حمض الأكساليك، وهو مادة كيميائية شائعة توجد في مزيلات الصدأ وحتى في بعض الأطعمة. هذا الحمض ممتاز في إذابة أغشية الأكسيد المستعصية التي تثبت الجزيئات المشعة في مكانها. ومع ذلك، بمجرد انتهاء عملية التنظيف، تتبقى مشكلة جديدة في السائل الناتج: فهو مليء ببقايا الحمض والمعادن المذابة مثل الحديد والكوبالت. وإذا لم يتم معالجة هذا الخليط بشكل صحيح، فإن الحمض المتبقي يمكن أن يتداخل مع خطوات معالجة النفايات المستقبلية. وقد استكشف العلماء طريقة متطورة لتدمير هذا الحمض المتبقي باستخدام البلازما تحت الماء، وهي شكل من أشكال التفريغ الكهربائي الذي يخلق دفعة من المواد الكيميائية التفاعلية في الماء. والهدف هو تفكيك جزيئات الحمض بحيث لا تشكل تهديدًا كيميائيًا بعد الآن، ولكن وجود المعادن المذابة قد يغير مدى فعالية هذه العملية.
وضع فريق من الباحثين في معهد كوريا لأبحاث الطاقة الذرية ومعهد كوريا لطاقة الاندماج خطة لمعرفة كيف تؤثر خلطات معدنية مختلفة على عملية التنظيف هذه. قاموا بإنشاء أربع دفعات منفصلة من مياه النفايات المحاكية، تحتوي كل منها على نفس الكمية من حمض الأكساليك مع إضافة تركيبات مختلفة من الحديد والكوبالت إليها. احتوت إحدى الدفعات على لا معادن، وأخرى على كوبالت فقط، وثالثة على حديد فقط، والأخيرة على مزيج من كليهما. ثم أخضعوا كل دفعة لمعالجة البلازما تحت الماء لمدة تصل إلى ستين دقيقة، مع أخذ عينات كل عشر دقائق لقياس كمية الحمض المتبقية. ولتتبع الحمض، استخدموا طريقة دقيقة تسمى الكروماتوغرافيا الأيونية، والتي تفصل وتعد جزيئات الحمض، كما راقبوا كيفية امتصاص السائل للضوء، بحثًا عن تغيرات في اللون أو الوضوح قد تشير إلى تحولات كيميائية.
كشفت النتائج عن اختلاف صارخ اعتمادًا على المعادن الموجودة. ففي الدفعات التي لا تحتوي على حديد، أو التي تحتوي على كوبالت فقط، عملت البلازما بسرعة وكفاءة؛ ففي غضون عشرين إلى ثلاثين دقيقة، انخفضت كمية الحمض القابلة للكشف إلى مستويات منخفضة جدًا بحيث لم تعد الأجهزة قادرة على إيجاده، وأصبح السائل نظيفًا كيميائيًا من الحمض المستهدف في وقت قصير. ومع ذلك، تصرفت الدفعة التي تحتوي على الحديد فقط بشكل مختلف تمامًا؛ فبعد ستين دقيقة من المعالجة، بقيت كمية كبيرة من الحمض في الماء، حيث لا تزال الأجهزة ترصد 42.2 ملليجرام لكل لتر، وهو ما يعادل تقريبًا ثمانين بالمائة من الكمية الموجودة في البداية. وبينما تم تطهير المحاليل الأخرى، ظل هذا الخليط الغني بالحديد متمسكًا بحمضه بعناد.
كما فحص الباحثون السائل باستخدام مطياف، وهو جهاز يقيس مقدار امتصاص المحلول للضوء عند ألوان مختلفة. ووجدوا أن السائل الذي يحتوي على الحديد حافظ على توهج مستمر في نطاق الأشعة فوق البنفسجية القريبة، وهو نوع من الضوء غير مرئي للعين البشرية ولكن يمكن للأجهزة رصده. وظلت هذه الإشارة الضوئية قوية حتى مع استمرار المعالجة، مما يشير إلى أن الحديد والحمض يشكلان شراكة مستقرة، أو معقدًا، يكافح البلازما لتفكيكه. وفي المقابل، فقدت الدفعات الأخرى هذه الإشارة الممتصة للضوة مع اختفاء الحمض. ولفهم ما يحدث للحديد نفسه، أضاف العلماء صبغة خاصة تسمى "فيروزين" إلى عينات صغيرة من السائل. هذه الصبغة تتحول إلى اللون الأرجواني عندما ترتبط بالحديد في حالة كيميائية محددة. وقد تحولت العينات إلى اللون الأرجواني الداكن، مما يشير إلى أن الحديد كان يغير شكله الكيميائي، متنقلًا بين حالات مختلفة أثناء المعالجة. وهذا يشير إلى أن الحديد لم يكن مجرد جسيم ساكن هناك، بل كان يشارك بنشاط في دورة من التفاعلات الكيميائية التي ربما حمت الحمض من التدمير.
تشير الدراسة إلى أن وجود الحديد يخلق بيئة كيميائية فريدة حيث يتم حماية الحمض من قوة تنظيف البلازما. ومن المرجح أن الحديد يشكل رابطة وثيقة مع جزيئات الحمض، مما يجعل من الصعب تفكيكها. علاوة على ذلك، قد يستهلك الحديد المواد الكيميائية التفاعلية التي تولدها البلازما للقيام بالتنظيف، مما يؤدي فعليًا إلى محاربة العملية. لاحظ الباحثون أن كمية الكلوريد، وهو مكون من الملح المستخدم لصنع محلول الحديد، كانت أقل في الدفعة التي تحتوي على الحديد فقط مقارنة بالدفعات الأخرى، لكن العامل الأساسي بدا أنه الحديد نفسه. وبينما تم تنظيف الدفعات التي تحتوي على الكوبالت بسرعة، أظهرت الدفعة التي تحتوي على الحديد فقط أن النوع المحدد من المعدن يهم للغاية. وخلص الفريق إلى أنه عند تقييم مدى فعالية معالجة البلازما للنفايات النووية، لا يمكن للمرء ببساطة النظر إلى مستويات الحمض فحسب؛ بل يجب أيضًا مراعاة المعادن المحددة الموجودة ومراقبة الإشارات الضوئية المتبقية التي تلمح إلى تفاعلات كيميائية خفية.
يسلط هذا العمل الضوء على فارق دقيق وحاسم في تنظيف النفايات النووية. فلا يكفي تطبيق علاج قوي وافتراض أنه سيعمل بنفس الطريقة على كل نوع من أنواع السوائل. إن التركيبة الكيميائية للنفايات، وخاصة وجود الحديد، يمكن أن تغير النتيجة بشكل جذري. ووجد الباحثون أنه بينما كانت البلازما فعالة للغاية في تدمير حمض الأكساليك في معظم السيناريوهات، فإن المحلول الغني بالحديد قاوم العملية، محتفظًا بجزء كبير من الحمض حتى بعد ساعة من المعالجة. هذا لا يعني أن البلازما فشلت تمامًا، بل يعني أن الحديد خلق حاجزًا أبطأ التفاعل بشكل كبير. وتعد هذه الدراسة تذكيرًا بأنه في الخلطات الكيميائية المعقدة، يمكن لسلوك أحد المكونات أن يحدد نجاح عملية التنظيف بأكملها. وبالنسبة لمشاريع التطهير المستقبلية، يعني هذا أن المهندسين قد يحتاجون إلى تعديل استراتيجياتهم أو إضافة خطوات إضافية إذا كان الحديد جزءًا رئيسيًا من تدفق النفايات، لضمان تحييد الحمض تمامًا قبل معالجة المياه بشكل أكبر.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.