نمذجة العملية وتوصيف الحمأة للتحلّل الكهربائي لإزالة المستحلبات الزيتية والمركبات الكلسية من مياه صرف مصفاة البترول

لماذا تُهمّ عملية تنظيف مياه المصافي

تحوّل مصافي النفط الحديثة النفط الخام إلى الوقود والزيوت التي نعتمد عليها يومياً، لكنها تولّد أيضاً كميات كبيرة من المياه الملوّثة المحمّلة بقطرات الزيت والمعادن المذابة مثل الكالسيوم. إذا لم تُنقَ هذه المياه بشكل صحيح فقد تتلف المعدات، وتضيع مصادر مائية ثمينة، وتلوّث الأنهار والبحار. تستعرض هذه الدراسة طريقة معالجة كهربائية واعدة قادرة على معالجة مشكلتين رئيسيتين في الوقت نفسه—التلوث الزيتي والمعادن المسببة لعسر الماء—مع الحفاظ على استهلاك الطاقة والتكلفة ضمن حدود معقولة.

طريقة كهربائية لحجز الشوائب في الماء

ركّز الباحثون على عملية تُسمى التحلّل الكهربائي بالتكتّل، حيث تُوصَّل صفائح معدنية داخل مفاعل بمصدر تيار مستمر. عندما يمرّ التيار عبر الماء، تذوب كميات صغيرة من الألومنيوم من إحدى الصفائح وتتفاعل مع الماء لتشكل جسيمات رقيقة ولزجة. تستطيع هذه الجسيمات التقاط قطرات الزيت والكالسيوم المذاب، مكوِّنة تكتلات أكبر تطفو إلى السطح على شكل رغوة أو تغوص على شكل حمأة. وعلى عكس المعالجات الكيميائية التقليدية، تولّد هذه الطريقة «مواد التنظيف» من الصفائح المعدنية نفسها، مما يقلّل الحاجة لإضافة مواد كيميائية خارجية.

تصميم الوصفة المثلى لمياه أنظف

تعتمد فعالية التنظيف على العديد من المعاملات التي يمكن للمهندسين تعديلها: مدة التطبيق، شدة التيار، ملوحة الماء، حامضية أو قاعدية الوسط، وكمية الزيت والكالسيوم الموجودة. بدلاً من التجريب العشوائي، استخدم الفريق نهجاً إحصائياً منظماً لاستكشاف هذا الفضاء متعدد الأبعاد. أنشأوا مياه صرف صناعية لمصفاة بمقادير محكومة من زيت التشحيم وأملاح الكالسيوم، ثم نوّعوا بشكل منهجي ستة شروط رئيسية: زمن المعالجة، الحموضة (pH)، كثافة التيار، مستوى الملح (كلوريد الصوديوم)، وتركيزات البداية للزيت والكالسيوم. ساعدهم برنامج متخصص على تخطيط 84 تجربة وتلاؤم نماذج رياضية تربط هذه المدخلات بإزالة الزيت والكالسيوم، إلى جانب استهلاك الطاقة وتكلفة التشغيل.

ما الذي كشفت عنه التجارب والنماذج

أظهرت التحليلات أن زمن المعالجة كان العامل الأكثر أهمية لإزالة كل من الزيت والكالسيوم: فكلما طال الزمن، تُتاح فرص أطول لتكوّن تكتلات الألومنيوم والالتقاط الفعّال للملوثات. لعبت كثافة التيار ومستوى الملح دوراً قوياً أيضاً، لكن بطرق أكثر تعقيداً. حسّن التيار الأعلى الإزالة بعد انقضاء زمن كافٍ عبر توليد مزيد من التكتلات وفقاعات الغاز، لكن في الأزمنة القصيرة قد يعيق تكوّن التكتلات. حسّنت كميات معتدلة من الكالسيوم والملح الناقلية الكهربائية، لكن زيادتها أدت إلى تكوّن طبقات معدنية صلبة على الأقطاب وتفاعلات جانبية غير مرغوبة أهدرت الألومنيوم وخفّضت الكفاءة. كما أن لحامضية الماء أثرها: فظروف قلوية طفيفة عند حوالي pH 9 ترجّح تكوّن أنواع ألومنيوم فعّالة بشكل خاص في تفكيك المستحلبات الزيتية وربط الكالسيوم.

إيجاد نقطة توازن بين الأداء والتكلفة

بدمج البيانات التجريبية مع نمذجة السطح الاستجابي، حدّد الفريق مجموعة شروط تشغيل تحقّق تحسيناً مشتركاً لإزالة الزيت والكالسيوم والتكلفة. في ظل هذه الشروط—pH 9، كثافة تيار متوسطة إلى عالية، تركيزات بداية محددة للزيت والكالسيوم، ملح مضاف بمقدار معتدل، وزمن معالجة يقارب ساعة ونصف—أزال النظام أكثر من 91% من الزيت ونحو 73% من الكالسيوم. وفي الوقت نفسه استهلك نحو 12 كيلوواط-ساعة كهرباء لكل متر مكعب من الماء وبلغت تكلفة التشغيل الإجمالية حوالى 0.21 دولار أمريكي لكل متر مكعب، وهي أقل من بعض دراسات التحلّل الكهربائي السابقة. كما أكدت محاكيات الحاسوب باستخدام برنامج COMSOL أنه عند هذه الإعدادات يكون المجال الكهربائي داخل المفاعل الأسطواني موزّعاً بشكل أكثر انتظاماً، مما يساعد على سير التفاعلات بكفاءة عبر حجم الماء.

ماذا يحدث للنفايات المحبوسة

بعد المعالجة تظهر الملوثات المحبوسة في شكل مزيج من حمأة ورغوة عائمة. فحص المؤلفون هذه المادة بواسطة مطيافية تحت الحمراء، والتحليل العنصري بالأشعة السينية، والمجهر الإلكتروني. وجدوا أنها تحتوي على هياكل هيدروكسيد الألومنيوم إلى جانب كربون مشتق من الزيت وأملاح الكالسيوم والصوديوم، مكونة جسيمات مسامية وغير منتظمة ذات مساحة سطحية كبيرة. تشير هذه الخصائص إلى أن الحمأة قد تُعاد تدويرها بدلاً من التخلص منها ببساطة—على سبيل المثال، كمحسّن للتربة حيث يمكن لمحتواها المعدني أن يحسّن خواص التربة، أو كمصدر للألومنيوم الذي يمكن استخلاصه وإعادة تدويره إلى مواد معالجة جديدة.

مياه أنظف من نظام أبسط

بصفة عامة تُظهر الدراسة أن مفاعلاً بسيطاً نسبياً للتحلّل الكهربائي، يعمل بتيارات كهربائية معتدلة ويستخدم أقطاب ألومنيوم متاحة بسهولة، يمكنه أن يزيل في الوقت نفسه الزيت المستحلب والكالسيوم من مياه صرف المصافي بتكلفة تنافسية. من خلال ضبط شروط التشغيل بعناية ودعم التجارب بالنمذجة الإحصائية والمحاكاة الحاسوبية، يبيّن المؤلفون أن هذه التقنية قادرة على تحويل مياه صناعية ملوّثة بشدة إلى تيار أنظف بكثير، مع إنتاج حمأة قابلة للإدارة وقد تكون لها استخدامات ثانوية. للمجتمعات والصناعات التي تواجه ندرة المياه وحدود تصريف صارمة، يوفر مثل هذا المعالجة الكهربائية المحسّنة مساراً عملياً نحو إعادة استخدام مياه أكثر أماناً واستدامة.

الاستشهاد: Mohamed, Y.E., El-Gayar, D.A., Amin, N.K. et al. Process modeling and sludge characterization of electrocoagulation for the removal of oil-in-water emulsions and calcium from petroleum refinery wastewater. Sci Rep 16, 7954 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37854-8

الكلمات المفتاحية: مياه صرف مصفاة البترول, التحلّل الكهربائي بالتكتّل, مستحلب زيت في الماء, إزالة عسر الماء, تحسين معالجة مياه الصرف