تأثير عمليات معالجة المياه الكهروكيميائية على تآكل الفولاذ الكربوني في نظام إمداد المياه الحضرية

لماذا تهم أنابيب مياه حنفية منزلك

أصبحت أنظمة معالجة المياه الكهروكيميائية أكثر انتشارًا في المدن لأنها تزيل الملوثات بكفاءة، وتطرّي الماء، وتقضي على الجراثيم. لكن نفس التفاعلات الكهربائية التي تنظف الماء يمكن أن تهاجم بهدوء الأنابيب المعدنية التي تنقل هذا الماء إلى منازلنا. تبحث هذه الدراسة في كيفية تأثير مثل هذه المعالجة على الفولاذ الكربوني، وهو مادة شائعة للأنابيب، وتشرح لماذا يمكن أن يتسارع التآكل بشكل كبير عندما يتفاعل التيار الكهربائي مع كيمياء ماء الحنفية اليومية.

تنقية الماء بالكهرباء

تمرر معالجة المياه الكهروكيميائية تيارًا كهربائيًا عبر الماء باستخدام صفائح معدنية تُسمى أقطابًا كهربائية. يمكن أن تزيل هذه العملية أيونات غير مرغوبة، وتفكك الملوثات العضوية، وتولد معقمات، مما يجعلها جذابة للأنظمة الحضرية والصناعية. على عكس المعالجة التقليدية، فإن الأنابيب نفسها لا تُوصل بالتيار داخل النظام—فهي ببساطة تتعرض للماء المعالج الخارج من الوحدة. هذا يعني أن أي زيادة في التآكل لا يسببها وصول الكهرباء مباشرة إلى الأنابيب، بل تغيرات في كيمياء الماء: مواد مؤكسدة جديدة للتطهير، تحولات في الحموضة، وحركة أيونات معدنية كانت عادةً تساعد في تشكيل طبقات حماية داخل الأنابيب.

فقدان معدن أسرع وأضرار خفية أعمق

أجرى الباحثون تجربة مدتها 90 يومًا باستخدام ماء مدينة حقيقي، وعرضوا عينات من الفولاذ الكربوني لجهود كهربائية مختلفة من 0 إلى 9 فولت، ثم تابعوا فقدان الكتلة، وتلف السطح، والسلوك الكهروكيميائي. وجدوا أنه حتى خلال الأيام الثلاثة الأولى، أدى تشغيل التحليل الكهربائي إلى تفاقم التآكل، وكلما زاد الجهد زاد الضرر. عند 9 فولت، قفز معدل التآكل العام بأكثر من 25 ضعفًا مقارنة بالماء الذي لم يمر بعملية كهربية. باستخدام مسوحات سطحية ثلاثية الأبعاد، أظهروا أيضًا أن الحفر الصغيرة في المعدن نمت أعمق بكثير مع زيادة الجهد. تحت أعلى جهد، كانت أعمق الحفر أعمق بنحو خمسة أضعاف منها في الماء غير المعالج، مما يختصر بشكل كبير العمر التشغيلي المتوقع للفولاذ حتى لو بدا فقدان المعدن المتوسط غير شديد.

لماذا تفشل طبقات الحماية

داخل العديد من أنابيب المياه، تبني المعادن الموجودة في الماء طبقة رقيقة وكثيفة بطبيعتها تساعد على حماية المعدن. في الماء غير المعالج، يلعب كربونات الكالسيوم هذا الدور الواقي. في الماء المعالج كهروكيميائيًا، مع ذلك، تختفي تلك الحماية المعدنية إلى حد كبير. لأن القطب السالب في وحدة المعالجة يجذب أيونات الكالسيوم والكربونات ويشجعها على الترسب هناك، يقل عدد هذه الأيونات المتبقية لتكوين درع صلب على جدران الأنابيب. كشفت اختبارات الميكروسكوبي والحيود أنه بدلًا من حاجز محكم غني بالمعادن، طور الفولاذ في الماء المعالج طبقة صدأ رخوة ومسامية مع بلورات صغيرة وغير مستقرة. سمح هذا الطلاء الضعيف للجزيئات المسببة للتآكل والإلكترونات بالتحرك بسهولة، لذا استمر التآكل بوتيرة سريعة بدلًا من أن يبطئ بمرور الوقت.

هجوم كيميائي أقوى في الماء

لتحديد ما كان سبب هذا الهجوم الإضافي، فصل الفريق عوامل مختلفة. عندما أداروا التحليل الكهربائي في محلول كبريتيت دون كلوريد، لم تغير نواتج انقسام الماء—مثل الأكسجين والهيدروجين والجذور القصيرة العمر—سلوك تآكل الفولاذ إلا بالكاد. لكن عندما كان الكلوريد، وهو نفس الأيون الموجود في الأملاح العادية والعديد من إمدادات المياه، حاضرًا، تغيرت القصة. حوّل التحليل الكهربائي جزءًا من الكلوريد إلى هيبوكلوريت، وهو مطهر أكثر تفاعلية. أظهرت الاختبارات الكهروكيميائية أنه كلما زاد التيار، أصبح الفولاذ أسهل كثيرًا في التآكل في محاليل الكلوريد. دعمت المحاكاة الحاسوبية هذا الاستنتاج: خفّض الهيبوكلوريت حاجز الطاقة لذهاب ذرات الحديد من سطح المعدن، مما جعل التآكل يتقدم أكثر بسهولة مقارنةً بالكلوريد وحده. وفي الوقت نفسه، استهلاك تشكّل منتجات الصدأ السريع لأيونات الهيدروكسيد دفع الماء نحو قيمة pH أقل، أي إلى حالات أكثر حمضية، مما ساعد على تفضيل التآكل أكثر.

ماذا يعني هذا لأنظمة المياه

بالنسبة لغير المتخصصين، الخلاصة هي أن تنظيف وتعقيم الماء بالكهرباء ليس بالضرورة لطيفًا على الأنابيب التي تنقل ذلك الماء. في الأنظمة التي يحتوي فيها الماء على كلوريد، يمكن للمعالجة الكهروكيميائية أن تحول جزءًا من ذلك الكلوريد إلى مطهر أقوى وأكثر تآكلًا مع نزع مكونات معدنية لازمة لبناء حماية طبيعية. النتيجة هي ترقق أسرع للمعدن وحفر أعمق يمكن أن تقصر عمر الأنابيب وتزيد مخاطر التسرب أو التلوث. يقترح المؤلفون أن يعامل مصممو ومشغلو هذه الأنظمة التآكل كعنصر تصميم مركزي—بتحديد الجهد، وخفض الكلوريد قبل المعالجة، واختيار أقطاب كهربائية تنتج نواتج ثانوية أقل عدائية، ومراقبة الحفر وكيمياء الماء على المدى الطويل—لضمان أن الماء الأنظف لا يأتي على حساب بنية تحتية تفشل.

الاستشهاد: Zhao, S., Jing, Y., He, X. et al. Effect of electrochemical water treatment processes on carbon steel corrosion in urban water supply system. npj Mater Degrad 10, 23 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00736-5

الكلمات المفتاحية: معالجة المياه الكهروكيميائية, تآكل الفولاذ الكربوني, أنابيب مياه المدن, الكلوريد والهيبوكلوريت, متانة بنية المياه التحتية