تحسين معلمات التحلل الكهربي-فينتوني لراتنج الأنيون باستخدام منهجية سطح الاستجابة

تنظيف مياه الصرف النووية

تعتمد صناعات الطاقة النووية والبحثية على «إسفنجيات» خاصة تُسمى راتنجات تبادل الأيونات لانتزاع الملوثات من الماء. عندما تنتهي صلاحية هذه الراتنجات، تتحول هي نفسها إلى نفايات خطرة محملة بمركبات متركزة. تستكشف هذه الدراسة طريقة أسرع وأنظف لتدمير نوع شائع من راتنجات النفايات، وتحويلها إلى منتجات نهائية غير ضارة، مما يجعل معالجة مياه الصرف المشعة أكثر أمانًا وكفاءة.

لماذا تشكل حبيبات المرشح القديمة مشكلة كبيرة

في المنشآت النووية، تسحب حبيبات بلاستيكية صغيرة تُعرف براتنجات تبادل الأنيون المواد الكيميائية غير المرغوب فيها من الماء. مع مرور الوقت، تمتلئ هذه الحبيبات بالمركبات العضوية والعناصر المشعة ويجب استبدالها. الخيارات التقليدية للمعالجة—مثل الحرق أو الطمر أو المعادلات الكيميائية البسيطة—قد تترك رواسب يصعب التعامل معها، أو تُعرّض لخطر إطلاق الإشعاعات، أو تتطلب أوقات معالجة طويلة. الأكسدة الرطبة، التي تستخدم ماء ساخنًا غنيًا بالأكسجين لتحطيم الحبيبات، أكثر أمانًا لكنها بطيئة، وغالبًا ما تستغرق 8–10 ساعات وتُهدر الكثير من المواد المؤكسدة المضافة.

تنظيف كيميائي بمساعدة الطاقة

ركز الباحثون على طريقة متقدمة تُسمى عملية التحلل الكهربي-فينتوني، التي تجمع بين الكهرباء والأكسدة الكيميائية التقليدية. في تفاعل فينتون، يتعاون فوق أكسيد الهيدروجين مع أملاح الحديد لتوليد جذور الهيدروكسيل شديدة التفاعل—وهي «جرافات» كيميائية قصيرة العمر تمزق الجزيئات العضوية. يحافظ الجانب الكهربي في نسخة الكهربي-فينتونية على استمرار هذا التفاعل بكفاءة أكبر: فالمصعد الخاص من التيتانيوم المغلف بثاني أكسيد الرصاص يساعد على توليد الجذور وإعادة تدوير شكل الحديد النشط، بينما يساعد الكاثود الشبكي على إعادة تدوير الحديد في المحلول. عالج الفريق راتنج أنيون حقيقي من نفايات نووية (ZG CNR170) في مفاعل على مقياس مختبري مُجهز بالتسخين والخلط وتغذية محكومة من فوق أكسيد الهيدروجين.

البحث عن النقطة المثلى للإعدادات

لجعل هذا الإعداد الواعد أداة عملية، غيّر العلماء بصورة منهجية أربع مقابض رئيسية: حموضة المزيج (pH)، التيار الكهربائي، جرعة ملح الحديد (FeSO₄)، ومعدل تغذية فوق أكسيد الهيدروجين. رصدوا نجاح المعالجة بقياس الطلب الكيميائي على الأوكسجين (COD) للسائل بعد ذوبان الحبيبات—وهو مقياس قياسي لمقدار التلوث العضوي المتبقي. أولًا غيّروا عاملًا واحدًا في كل مرة لرصد الاتجاهات العامة: أدى التيار الكهربائي المعتدل إلى تسريع التحلل لكن التيار العالي جدًا أضر بالأداء؛ وأضاف المزيد من محفز الحديد فائدة حتى حد معين فقط؛ وكانت تغذية فوق أكسيد الهيدروجين ببطء تشح التفاعل، في حين أن التغذية الزائدة عرّضت للهدر والرغوة. ولعبت الحموضة دورًا أيضًا: عملت العملية بشكل أفضل في ظروف حمضية قوية، لكن ليس عند أدنى مستويات الحموضة.

استخدام الإحصاء لضبط العملية

بعد ذلك، استخدم الفريق أداة إحصائية تُعرف بمنهجية سطح الاستجابة لاستكشاف كيفية تداخل العوامل الأربعة معًا دفعة واحدة. أجروا 30 تجربة مخططة بعناية وبنوا نموذجًا رياضيًا يتنبأ بكمية COD المتبقية بعد 150 دقيقة تحت ظروف مختلفة. أظهرت هذه التحليلات أن جرعة ملح الحديد لها التأثير الأقوى على التنظيف، تلتها سرعة تغذية فوق أكسيد الهيدروجين، ثم الحموضة، بينما كان للتيار دور أصغر لكنه لا يزال ذا معنى. والأنسب أن التحليل بيّن أن النسبة بين الحديد وفوق أكسيد الهيدروجين حاسمة: فقلة أي منهما تبطئ التفاعل، بينما يؤدي فائض الحديد إلى استهلاك الجذور المفيدة بدلًا من السماح لها بمهاجمة الراتنج.

من حبيبات إلى جزيئات غير ضارة

كيميائيًا، تعمل العملية عن طريق نزع المجموعات الوظيفية من بنية الراتنج ثم تقطيع العمود الفقري إلى شظايا أصغر وأصغر. تهاجم الجذور العدوانية مجموعات النيتروجين على سطح الراتنج، ثم تواصل تكسير الهيكل الشبيه بالبلاستيك إلى أحماض عضوية صغيرة وكحولات، وفي النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. في ظل ظروف محسنّة—تقريبًا pH 1.5، تيار 7 أمبير، جرعة محددة من الحديد، وتغذية منتظمة لفوق أكسيد الهيدروجين—ذابت الراتنجات تمامًا خلال 150 دقيقة، وانخفض COD المتبقي في السائل إلى مستويات تشير إلى تدمير شبه كامل للمادة العضوية.

ماذا يعني هذا لمعالجة النفايات النووية

لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن الدراسة تُظهر طريقة أسرع وأكثر كفاءة لـ«حرق كيميائي» حبيبات مرشح النووية المستعملة في الماء، دون لهب مكشوف أو ظروف قاسية. من خلال موازنة الحموضة والطاقة الكهربائية ومحفز الحديد وفوق أكسيد الهيدروجين بعناية، يمكن لعملية الكهربي-فينتون تحويل هذه المواد النفايات العنيدة بأمان إلى جزيئات بسيطة وغير سامة في حوالي ساعتين ونصف. يقدم هذا مسارًا واعدًا لمعالجة أنظف وأكثر اقتصادية لمياه الصرف المشعة، ويمكن للنموذج الإحصائي المطوَّر هنا أن يساعد المهندسين في تصميم أنظمة على النطاق الكامل تقلل من المواد الكيميائية واستهلاك الطاقة والنفايات الثانوية.

الاستشهاد: Xiang, Q., Hailong, X., Xiliang, G. et al. Optimization of parameters for electro Fenton degradation of anion resin by response surface methodology. Sci Rep 16, 6633 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37155-0

الكلمات المفتاحية: التحلل الكهربي-فينتوني, مياه الصرف المشعة, راتنج تبادل الأيونات, الأكسدة المتقدمة, تحسين معالجة النفايات