Optimization of the electrocoagulation process using aluminum electrodes for effective treatment of household wastewater: A kinetic and economic analysis of time and electrode distance effects

تمثل المياه المستخدمة في المنازل، والتي تحمل معها الصابون وبقايا الطعام والفضلات البشرية، تحدياً مستمراً للمجتمعات التي تفتقر إلى محطات معالجة مركزية ضخمة. فعندما تُطلق هذه المياه العادمة مباشرة في الأنهار أو البحيرات، يمكن أن تؤدي إلى استنزاف الأكسجين في الماء، مما يقتل الأسماك وينشر الأمراض. تعتمد الطرق التقليدية لتنقية هذه المياه غالباً على إضافة مواد كيميائية لتجميع الجزيئات الصغيرة من الأوساخ والمواد العضوية، أو استخدام البكتيريا لالتهم النفايات. ومع ذلك، فإن إضافة المواد الكيميائية تخلق مشكلة جديدة: وهي إنتاج كمية كبيرة من الحمأة السامة التي يجب التخلص منها، بينما تتطلب الطرق البيولوجية مساحات شاسعة وطاقة ثابتة لتعمل. وفي العديد من المناطق النامية، تكون هذه الحلول التقليدية إما باهظة الثمن أو معقدة للغاية من حيث الصيانة. وقد دفع هذا العلماء للبحث عن نهج مختلف يسمى "التخثير الكهربائي" (electrocoagulation)، وهي عملية تستخدم الكهرباء لتنقية المياه دون الحاجة إلى إضافة جرعات ثقيلة من المواد الكيميائية الخارجية.

في هذه الطريقة، توضع ألواح معدنية، مصنوعة عادة من الألمنيوم أو الحديد، داخل المياه العادمة. وعند تمرير تيار كهربائي عبر هذه الألواح، يذوب المعدن ببطء في الماء، مطلقاً جزيئات مشحونة صغيرة. تعمل هذه الجزيئات مثل المغناطيسات الطبيعية، حيث تلتقط الأوساخ والزيوت والبكتيريا الضارة العائمة، مما يتسبب في التصاقها معاً لتشكل كتلًا أكبر. وفي الوقت نفسه، ترتفع فقاعات صغيرة من غاز الهيدروجين من قاع الخزان، مما يرفع هذه الكتل إلى السطح حيث يمكن كشطها. وتكمن روعة هذه التقنية في أنها تولد عامل التنظيف الخاص بها في المكان الذي تشتد الحاجة إليه، مما يقلل من الحاجة إلى تخزين المواد الكيميائية والتعامل معها. ومع ذلك، فإن السؤال الحاسم للمهندسين هو كيفية تصميم الآلة بحيث تعمل بسرعة وبتكلفة منخفضة بما يكفي لتكون مفيدة للمجتمعات اليومية.

لقد سعى فريق من الباحثين في جامعة "وولجا" بإثيوبيا لحل هذا اللغز من خلال اختبار مدى تأثير المسافة الفيزيائية بين الألواح المعدنية على عملية التنقية. لقد عملوا باستخدام مياه عادمة حقيقية غير معالجة تم جمعها من نظام الصرف الرئيسي لمدينة "شامبو"، وهي عينة معروفة بكونها ملوثة بشدة بالمواد العضوية والصلبة. وبدلاً من استخدام إعداد قياسي، ركزوا على متغير تصميمي محدد: وهو المسافة بين أقطاب الألمنيوم. وقارنوا بين فجوة تقليدية أوسع تبلغ نصف سنتيمتر مقابل فجوة ضيقة جداً تبلغ مليمتين فقط. وكان الهدف هو معرفة ما إذا كان ضغط الألواح لتقريبها من بعضها سيجعل الكهرباء تعمل بقوة وسرعة أكبر، أم أنه سيسبب مشاكل مثل الدوائر القصيرة (الماس الكهربائي) أو هدر الطاقة.

أجرى الباحثون تجاربهم في وعاء زجاجي بسيط، حيث قاموا بمعالجة المياه لمدة تصل إلى تسعين دقيقة مع الحفاظ على ثبات التيار الكهربائي. وقاسوا مقدار التلوث الذي تمت إزالته في أوقات مختلفة، متتبعين وضوح المياه، وكمية النفايات العضوية، وإجمالي المواد الصلبة الذائبة. وما وجدوه هو أن المسافة الضيقة أحدثت فرقاً هائلاً. فعندما وضعت الألواح على مسافة مليمتين فقط، قامت المياه بتنقية نفسها بشكل أسرع وأكثر اكتمالاً مما كانت عليه عندما كانت المسافة بين الألواف نصف سنتيمتر. وبحلول نهاية فترة التسعين دقيقة، أزالت المنظومة ذات الفجوة الضيقة كل التلوث تقريباً، تاركة الماء صافياً بما يكفي ليلبي المعايير الوطنية الصارمة للسلامة. فقد قضت على 98% من النفايات العضوية وعلى معظم العكارة، في حين تركت الفجوة الأوسع قدراً أكبر بكثير من التلوث خلفها.

يكمن العلم وراء هذا النجاح في كيفية انتقال الكهرباء عبر الماء. يعمل الماء كمقاوم، وكلما اتسعت الفجوة بين الألواح، صعب مرور التيار. ومن خلال تضييق الفجوة، نجح الباحثون في تقليل هذه المقاومة، مما سمح للكهرباء بالعمل بكفاءة أكبر. وهذا يعني أن النظام احتاج إلى طاقة أقل لتحقيق نفس النتيجة، كما ذابت الألواح المعدنية بشكل أكثر فعالية لإنتاج عوامل التنظيف. وقد حسب الفريق أن المسافة الضيقة قللت من الطاقة المطلوبة لمعالجة متر مكعب واحد من الماء بنسبة تقارب 24%. وترجمت هذه الكفاءة مباشرة إلى توفير في المال؛ حيث انخفضت التكلفة الإجمالية لتشغيل النظام من حوالي خمسة دولارات وخمسين سنتاً لكل متر مكعب إلى أقل من أربعة دولارات وأربعين سنتاً. وبينما ظلت تكلفة الألواح المعدنية ثابتة بغض النظر عن المسافة، كانت الوفورات في الكهرباء كبيرة بما يكفي لخفض السعر الإجمالي للمعالجة.

وعلى الرغم من هذه النتائج المثيرة للإعجاب، فقد سلطت الدراسة الضوء أيضاً على عقبة كبيرة. فحتى مع التصميم الأمثل، ظلت تكلفة الكهرباء هي الجزء الأكبر من الفاتورة، حيث شكلت أكثر من 70% من إجمالي مصاريف التشغيل. وهذا يشير إلى أنه على الرغم من سلامة تصميم الآلة، إلا أن الجدوى الاقتصادية لهذه التقنية في الأماكن التي تعاني من شبكات كهرباء باهظة الثمن لا تزال محدودة. وأشار الباحثون إلى أن هذه العملية هي الأنسب للأنظمة اللامركزية، حيث يمكن للمجتمعات الصغيرة معالجة مياهها الخاصة دون الاعتماد على بنية تحتية ضخمة. كما أوضحوا أن الحمأة الناتجة عن هذه العملية، والتي تتكون في الغالب من هيدروكسيد الألمنيوم، سهلة الإدارة نسبياً، ويمكن إعادة استخدامها أو تحويلها إلى مورد، مما يحول منتجاً عادماً إلى مورد نافع.

تقدم النتائج مساراً واضحاً نحو تحسين معالجة المياه في المناطق الأكثر احتياجاً. وتثبت الدراسة أن مجرد تقريب الأقطاب من بعضها البعض يمكن أن يسرع عملية التنقية ويخفض فاتورة الطاقة بشكل كبير. ومع ذلك، يحذر المؤلفون من أنه لكي تصبح هذه التقنية حلاً مستداماً حقاً على المدى الطويل، يجب أن تقترن بمصادر طاقة أرخص، مثل الطاقة الشمسية، لكسر التبعية لشبكة الكهرباء المكلفة. كما اقترحوا أن العمل المستقبلي يجب أن يركز على بناء أنظمة التدفق المستمر، التي يمكنها التعامل مع تدفق مستمر من المياه، بدلاً من معالجتها في دفعات. وفي الوقت الحالي، يوفر هذا البحث مخططاً عملياً وصلباً لكيفية بناء نظام تخثير كهربائي أكثر كفاءة وأقل تكلفة، يمكن أن يساعد في الحفاظ على سلامة المجتمعات من مخاطر المياه العادمة غير المعالجة.