دراسة حول معالجة مياه استخراج النفط بواسطة تفريغ التاج المذوَّق بالقطب الأرضي المزدوج مع عامل التلبيد

لماذا تهمّ تنقية مياه الحقول النفطية

الحياة الحديثة تعتمد بشدّة على النفط، لكن كل برميل يُضَخ من الأرض يجلب معه عدة براميل من المياه الملوّثة المحمّلة بمخلفات نفطية ومواد كيميائية. تُعدُّ هذه «المياه المنتجة» صعبة المعالجة لدرجة أن كثيراً منها لا يمكن تصريفه أو إعادة استخدامه بأمان. تستقصي الدراسة في هذا المقال طريقة جديدة لتنقية هذه المياه العنيدة باستخدام عملية رذاذ كهربائي مُؤَيَّن مقترنة بمادة مساعدة شائعة في معالجة المياه، بهدف تحويل تيّار نفايات صعب إلى ماء يمكن لمحطات المعالجة البيولوجية التعامل معه بسهولة أكبر.

نوع صعب من المياه الملوّثة

مياه استخلاص النفط ليست مجرد مياه دهنية—بل هي محمّلة أيضاً بملوّثات عضوية ومواد عالقة وأملاح، وتنكسر بيولوجياً بصعوبة في أنظمة المعالجة العادية. على مستوى العالم تُنتج مئات الملايين من البراميل من هذه المياه يومياً، ومن المتوقع أن يزيد الحجم. إذا لم تُعالج بشكل صحيح، يمكن أن تضرّ بالتربة والأنهار والمياه الجوفية وحتى بصحة الإنسان. الطرق التقليدية غالباً ما تواجه صعوبات مع هذا الخليط وقد تكون مكلفة أو تخلق نفايات جديدة. لذلك يسعى المهندسون إلى طرق تمهيدية تزيل جزءاً كبيراً من التلوّث وتجعل ما يتبقى أكثر «قابلية للهضم» للبكتيريا في مراحل المعالجة اللاحقة.

تحويل مياه الصرف إلى رذاذ مكهرب ناعم

ركّز فريق البحث على نوع من معالجة البلازما منخفضة الحرارة يُسمى رذاذ تفريغ التاج. ببساطة، يضخون مياه الصرف فوق قضيب معدني عالي الجهد داخل أسطوانة معدنية. ينتشر السائل على شكل غشاء رقيق ثم، تحت الحقل الكهربائي القوي، يتفتت إلى رذاذ ناعم. حول هذا الرذاذ تتكوّن إلكترونات عالية الطاقة وجزيئات تفاعلية، تهاجم وتكسّر الملوّثات. كانت نقطة الضعف في الأجهزة السابقة أن السائل لم ينتشر بشكل متساوٍ على القطب، ما نتج عنه رذاذ متقطع ومعالجة ضعيفة. لحلّ هذه المشكلة صمّم المؤلفون قطباً جديداً بـ«ثقوب حلزونية»: أنبوب معدني مثقوب مغلف بألياف ماصة وملف نابضي حلزوني. هذا التركيب يمتص الماء بشكل متساوٍ، يحافظ على غشاء سائل موحّد، ويُثبّت التفريغ الكهربائي، ما يمنح رذاذاً ثابتاً وناعماً في كامل المفاعل.

البحث عن نقطة التوازن للعلاج الكهربائي

نقّح العلماء بشكل منهجي شروط التشغيل الرئيسية. قارنوا بين قطبيتي التيار الإيجابية والسلبية ووجدوا أن التفريغ السالب أنتج تياراً أقوى وإلكترونات أكثر طاقة، فاعتمدوه في جميع الاختبارات التالية. بعد ذلك نوّعوا سرعة تدفق الماء وعرض الفجوة بين القضيب الداخلي والأسطوانة الخارجية. كان التدفق القليل يجفف السطح ويضعف تكوّن الرذاذ؛ أما التدفق الزائد فأنشأ غشاءً سميكاً مقاوماً للتفتّت. الفجوة الضيقة حدّت مساحة التفاعل، بينما الفجوة الواسعة أضعفت الحقل الكهربائي. من خلال قياس متى يبدأ التفريغ، ومتى يحدث انكسار الشرارة، وكيف يستجيب التيار للجهد، حدّدوا مجموعة مثالية: فجوة 30 مم، وتدفق 40 مل/دقيقة، وجهد مطبق 26 كيلو فولت. في هذه الظروف، وفّر التصميم الحلزوني الجديد رذاذاً متجانساً جداً وتفريغاً قوياً، رغم أن التيار الكهربائي الكلي كان مشابهاً لقطب سلك أبسط.

إضافة مساعد لتجميع الملوّثات وترسيبها

أحسن الرذاذ الكهربائي جودة الماء بمفرده، لكن الفريق ذهب أبعد بإضافة بولي أكريل أميد، مسحوق واسع الاستخدام يجعل الجزيئات والقطرات الصغيرة تتكتّل إلى «فلوكات» أكبر يمكن أن تترسب. اختبروا أربع جرعات من هذا العامل ثم مرّروا الماء المعالج عبر المفاعل المكهرب لمدة تصل إلى خمس ساعات، متابعين التعكّر والحموضة ومقاييس التلوّث العضوي. جرعات متوسطة جعلت الماء أوضح بكثير وخفّضت الحمل العضوي الكلي أكثر من التفريغ وحده، بينما الجرعات القليلة لم تكفِ لتكوين فلوكات كافية والجرعات الكبيرة جداً أساءت الأداء فعلاً عن طريق تثبيت الجسيمات واستهلاك بعض الأنواع التفاعلية من البلازما. جرعة متوسطة قدرها 0.4 غرام لكل لتر حققت التوازن الصحيح، مع أقل تعكّر وأعلى إزالة للمواد العضوية.

من نفايات عنيدة إلى مادة تغذية للمفاعلات الحيوية

لمشغّل محطة المعالجة، مقياس حاسم هو مدى «قابلية التحلل البيولوجي» للبقايا الملوّثة. يُعبّر عن ذلك بنسبة اختبارين معياريين، BOD₅ إلى COD. في البداية كانت مياه الحقل النفطي صعبة جداً على الميكروبات، بنسبة منخفضة للغاية تبلغ 0.08. رفعها عملية الرذاذ الكهربائي وحدها إلى 0.56؛ وربطها بجرعة عامل التلبيد المثلى دفع النسبة إلى نحو 0.76، مع خفض الطلب الكيميائي للأكسجين إلى 168 ملغ/ل وتخفيض حاد في العكارة. عملياً، يحوّل هذا الإجراء تيار نفايات مقاوماً إلى ماء يمكن للأنظمة البيولوجية معالجته بسهولة أكبر ويقترب من معايير إعادة الاستخدام لعمليات الحقول النفطية. تشير النتائج إلى أن المفاعلات الكهربائية المصممة بعناية، مقترنة بعوامل تجميع بسيطة، قد تقدم لمنتجي النفط طريقاً أكثر كفاءة وصداقة للبيئة لمعالجة أحد أكبر وأكثر تيّارات نفاياتهم إزعاجاً.

الاستشهاد: Du, S., Gou, Y., Li, H. et al. Study on treatment of oil extraction wastewater by grounding electrode atomization corona discharge coupling flocculant. Sci Rep 16, 8747 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39459-7

الكلمات المفتاحية: مياه الحقول النفطية, معالجة المياه بالبلازما, تفريغ التاج, تلبيد, قابلية التحلل البيولوجي