An Effective Polyamine-Based Coagulation–Flocculation Approach for Cyanide and Color Removal from Steelmaking Wastewater

يعد الفولاذ هو الهيكل العظمي للحضارة الحديثة، وهو المادة التي تشكل مدننا وتجسر أنهارنا. ومع ذلك، فإن عملية صهر هذا المعدن من خام الحديد هي عملية تستهلك كميات هائلة من المياه وتتسبب في التلوث. فمقابل كل طن من الفولاذ المنتج، تستهلك الصناعة كميات ضخمة من المياه، والتي تصبح حتماً ملوثة بمواد كيميائية خطيرة قبل إطلاقها مرة أخرى في البيئة. ومن بين أكثر هذه الملوثات خطورة هو السيانيد، وهي مادة يمكن أن تكون قاتلة للكائنات الحية حتى بكميات ضئيلة جداً. عندما تصرف مصانع الفولاذ مياهاً تحتوي على هذا السم، فإنها تشكل تهديداً شديداً للأنهار، والمياه الجوفية، والنظم البيئية التي تعتمد عليها. ولطالما كان التحدي الذي يواجه المهندسين والعلماء هو إيجاد طريقة لتجريد هذه المياه من سميتها بكفاءة، دون خلق مشكلات جديدة أو إنفاق ثروة طائلة.

في دراسة حديثة، تناول باحثون هذه المشكلة من خلال النظر في المياه الخارجة من مصنع فولاذ كبير في الهند. كانت هذه المياه العادمة عبارة عن سائل داكن وعكر، محمل بكثافة بالمواد الصلبة العالقة وجزيئات الحديد، مما أعطاها لوناً عميقاً غير طبيعي. والأهم من ذلك، أنها كانت تحتوي على تركيز عالٍ من السيانيد الحر، قُدر بـ 13.2 جزء في المليون، وهو مستوى يتجاوز بكثير حدود السلامة الصارمة المحددة للتصريف. وقد سعى الفريق لتنظيف هذه المياه باستخدام مزيج من الأكسدة الكيميائية ونوع معين من المعالجة القائمة على البوليمر. لم يكن هدفهم مجرد إزالة السم، بل القيام بذلك بطريقة بسيطة بما يكفي لاستخدامها في مصنع حقيقي، وليس مجرد مختبر.

تبدأ العملية التي طوروها بتحول كيميائي. فقبل أن يمكن تنظيف المياه، يجب جعل السيانيد السام أقل خطورة. أضاف الباحثون كبريتات النحاس، التي تعمل كحفاز لتسريع التفاعل، متبوعة بميتابيسلفيت الصوديوم. وفي وجود الأكسجين في الهواء، تعمل هذه المواد الكيميائية معاً لتحويل السيانيد القاتل إلى سيانات، وهي شكل أقل سمية بكثير. ثم أضافوا كبريتات الحديدوز للمساعدة في تجميع المركبات القائمة على الحديد التي كانت ممسكة بجزيئات سيانيد أخرى، وتحويلها إلى جزيئات صلبة يمكن إزالتها. هذه الخطوة الأولية هيأت المياه لحدث التنظيف الرئيسي: التخثير والترويب.

لفهم خطوة التنظيف، تخيل المياه كغرفة مزدحمة حيث تطفو بقع صغيرة غير مرئية من الأوساخ والسموم، وترفض الاستقرار لأنها تتنافر جميعاً. لقد قدم الباحثون مادة كيميائية خاصة تسمى "المخثر البوليمري الأميني" (polyamine coagulant) لتغيير هذه الديناميكية. فكر في هذا المخثر كشبكة لاصقة تمتد لتمسك بهذه الجزيئات المتنافرة، وتعمل على تحييد شحنتها وإجبارها على الالتصاق ببعضها البعض. وبمجرد تجمع الجزيئات في مجموعات صغيرة، يتم إضافة مادة كيميائية ثانية، وهي "المربي الأنيوني" (anionic flocculant). يعمل هذا الأخير كجسر، يربط المجموعات الصغيرة في كرات أكبر وأثقل تسمى "الندف" (flocs). هذه الكرات الثقيلة كبيرة جداً بحيث لا تبقى عالقة، لذا فهي تغوص بسرعة إلى قاع الخزان، تاركة وراءها مياهاً صافية.

اختبر الباحثون أربعة إصدارات مختلفة من هذا المخثر البوليمري الأميني لمعرفة أي شكل يعمل بشكل أفضل. وقارنوا بين سلسلة خطية مستقيمة وثلاثة أنواع مختلفة من الهياكل المتفرعة الشبيهة بالأشجار. كانت النتائج واضحة: أدى البوليمر الخطي المستقيم أداءً أفضل بكثير من البوليمرات المتفرعة. فقد سمح الشكل الخطي للمادة الكيميائية بالتمدد بالكامل، مما منحها قدرة أفضل بكثير على الامتداد عبر الماء والإمساك بالجزيئات العائمة. كما استطاعت تكوين كتل أقوى وأكبر تترسب بشكل أسرع وتحجز المزيد من الملوثات. في المق مقابل، كانت النسخ المتفرعة متشابكة نوعاً ما، مما جعل من الصعب عليها التفاعل بفعالية مع التلوث.

باستخدام البوليمر الخطي الأفضل أداءً، حقق الفريق نتائج مذهلة. بدأوا بمياه شديدة التلون والسمية، وبعد المعالجة، انخفضت مستويات السيانيد من 13.2 جزء في المليون إلى 0.2 جزء في المليون فقط. ويمثل هذا كفاءة إزالة بلغت 98.5%، مما جعل المياه ضمن حدود التصريف الآمنة تماماً. وفي الوقت نفسه، اختفى اللون الداكن العكر للمياه، حيث انخفض من شدة 7350 وحدة إلى 90 وحدة فقط، أي بنسبة انخفاض في اللون بلغت 98.8%. وأصبحت المياه صافية لدرجة أن المواد الصلبة العالقة وجزيئات الحديد قد اختفت تماماً تقريباً.

لم تتوقف الدراسة عند حدود المختبر. فقد أخذ الباحثون نتائجهم وطبقوها على نطاق أوسع، محاكيين كيفية عمل هذه العملية في مصنع فولاذ حقيقي يتعامل مع تدفق هائل من المياه العادمة. وقد حسبوا أنه بالنسبة لمصنع يعالج 20,000 لتر من الماء في الساعة، فإن كمية المواد الكيميائية المطلوبة ستكون مقدورة عليها، وأن المعدات المطلوبة هي تكنولوجيا قياسية موجودة بالفعل في معظم مرافق معالجة المياه. وهذا يعني أن الطريقة لا تتطلب آلات باهظة الثمن أو تقنيات عالية أو إجراءات تشغيل معقدة؛ بل تعتمد على خزانات خلط بسيطة ومواد كيميائية متوفرة تجارياً، مما يجعلها حلاً عملياً وفعالاً من حيث التكلفة للصناعات التي تحتاج إلى تنظيف مياهها قبل إطلاقها.

يسلط هذا العمل الضوء على درس بالغ الأهمية في معالجة المياه: وهو أن الشكل الفيزيائي للمادة الكيميائية المنظفة لا يقل أهمية عن تركيبها الكيميائي. فمن خلال اختيار بوليمر خطي بدلاً من المتفرع، تمكن الباحثون من فتح مستوى من الكفاءة سمح لهم بإزالة كل من السم واللون في آن واحد. يقدم هذا النهج مساراً مباشراً لصناع الفولاذ لإعادة تدوير مياههم لأغراض التبريد أو التنظيف، أو لتصريفها بأمان في البيئة دون الإضرار بالنظام البيئي المحيط. إنه يثبت أن الحل الأكثر فعالية لمشكلة صناعية معقدة ليس دائماً في آلة أكثر تعقيداً، بل في فهم أفضل لكيفية تفاعل الجزيئات البسيطة مع الفوضى التي وُجدت لتنظيفها.