تصنيف جزيئات النحاس من كابلات كهربائية معاد تدويرها باستخدام فاصل زيج‑زاك

لماذا الكابلات القديمة مهمة من أجل مستقبل أنظف

وراء كل مفتاح ضوء، وسيارة كهربائية، ولوح شمسي بطل غير مُعلن: سلك نحاسي. مع بناء العالم لمزيد من أنظمة الطاقة النظيفة والمركبات الكهربائية، يتصاعد طلبنا على النحاس. استخراج النحاس الجديد مكلف ويستهلك طاقة كبيرة، لكن النحاس يمكن إعادة تدويره مرارًا وتكرارًا دون فقدان الجودة. يستعرض هذا المقال طريقة ذكية لاستخراج قيمة أكبر من الكابلات الكهربائية المهملة عن طريق تنقية حبيبات النحاس المعاد تدويرها بحيث تضاهي في النقاء المعدن المستخرج من الخامات الطازجة.

ما الذي يوجد فعلاً داخل كابل الطاقة؟

للوهلة الأولى يبدو الكابل بسيطًا، لكنه منتج مركب متعدد الطبقات. في الخارج أغطية بلاستيكية قوية تحمي من الرطوبة والتآكل والصدمات الكهربائية. بالداخل دروع معدنية، غالبًا من الألومنيوم أو الرصاص، وفي القلب يوجد القلب الناقل للتيار، عادة من النحاس وأحيانًا من الألومنيوم. تُبنى العديد من القلوب من حزم أسلاك نحاسية رفيعة جدًا، وغالبًا ما تُغطى بالقصدير لحمايتها من التآكل ولمساعدة الاتصال بالمقابس والمحطات. عند نهاية عمر هذه الكابلات تُفرَم إلى خليط من قطع البلاستيك، وحبيبات نحاس نقية، وقطع نحاسية مغطاة بالقصدير تبدو جميعها متشابهة ومحبطًا تمييزها.

من الخردة المختلطة إلى النحاس عالي الجودة

تتعامل مصانع التدوير الحديثة مع هذا الخليط على عدة مراحل. أولًا تُقص الكابلات وتُفرم، وتُستخدم المغناطيسات لسحب أي فولاذ. بعد ذلك تطحن المطاحن المادة إلى حبيبات أصغر، وتفصل فواصل مختلفة البلاستيك والمعادن الأخرى. ومع كل ذلك، لا يزال منتج «النحاس» يحتوي على شوائب عنيدة: قطع نحاسية رفيعة ومُطلية بالقصدير. هذه الحبيبات المطلية تقلل من نقاوة المعدن النهائي، وهو أمر يهم المصاهر والتطبيقات عالية التقنية. لا تستطيع طاولات الجاذبية التقليدية، التي تهتز وتُهوى المادة، فصل هذه الجزيئات غريبة الشكل تمامًا عن النحاس النقي.

كيف يصنف عمود الزيج‑زاك الجسيمات باستخدام الهواء

فحص الباحثون أداة مختلفة: قناة طويلة وضيقة مكوّنة من مقاطع مائلة متكررة تُشكل عمودًا زيج‑زاك. يُدفع الهواء صعودًا من القاع بينما تتساقط حبيبات النحاس المختلطة من الأعلى. داخل كل انحناءة تتشكّل تيّاران متعاكسان—أحدهما يصعد على طول الجدار الخارجي والآخر ينزلق نزولًا على طول الجدار الداخلي. إن حمل الجسيم لأعلى أو هبوطه يتوقف على صراع بين وزنه وقوة الرفع الهوائي. الجسيمات الخفيفة أو المسطحة تُجرف للأعلى بسهولة وتخرج من القمة كجزء «خفيف»؛ أما الأثقل والأكثف فتسقط إلى الأسفل كجزء «ثقيل». بضبط تدفق الهواء، يمكن للفريق ضبط نقطة التوازن وبالتالي تحديد أي الجسيمات تنتهي في أي مخرج.

اختبار الخردة الحقيقية والتدفقات الافتراضية

لاكتشاف مدى فعالية هذه الطريقة عمليًا، اختبر المؤلفون أربعة أنواع من حبيبات النحاس من خط تدوير صناعي. كل دفعة احتوت خليطًا مختلفًا من أحجام الجسيمات وأشكالها وشوائبها. شغلوا عينات وزنها 500 غرام عبر فاصل زيج‑زاك مخبري عند إعدادين لطاقة الهواء وقيَسوا كمية النحاس وكمية القصدير والرصاص والحديد وعناصر أخرى في الجزئين الثقيل والخفيف. في الوقت نفسه بنوا نموذجًا حاسوبيًا مفصلاً لحركة الهواء والجسيمات باستخدام ديناميكا السوائل الحسابية. في هذا الفاصل الافتراضي تَتبعوا آلاف الجسيمات ذات توزيعات مقاسات مقاسة خلال مسارات الزيج‑زاك للتنبؤ بأي مخرج ستصل وكم مدة بقائها معلقة في العمود.

ما كشفت عنه التجارب والمحاكاة

لعدة مواد مختبرة، خاصة واحدة مُعنونة Granulate 2، عزز فاصل الزيج‑زاك نقاء النحاس بشكل ملحوظ. مع زيادة تدفق الهواء، بلغ الجزء الثقيل نحو 99.9% نحاس، بينما حمل التيار الأخف المزيد من الجسيمات المطلية والقذرة. التنبؤات الحاسوبية التقطت الاتجاهات العامة، مثل كيفية دفع الهواء الأسرع حبيبات أصغر ثم لاحقًا أكبر إلى الجزء الخفيف وزيادة زمن بقائها في العمود. ومع ذلك، اعتمد اتفاق النموذج مع الواقع بشدة على شكل الجسيمات. للحبيبات المصنوعة من قطع مستقيمة تشبه الأسلاك أو ذات حبات غير كروية كثيرة، زادت أخطاء النموذج لأنَه افترض قيمة «دائرية» واحدة ومتوسطة لجميع الجسيمات.

ما يعنيه هذا لعمليات التدوير والتصميم

لغير المتخصصين، الخلاصة بسيطة: بتوليف تيار هواء دقيق داخل أنبوب زيج‑زاك، يمكن لمعالجّي النفايات تنظيف النحاس من الكابلات القديمة إلى نقاوة عالية جدًا باستخدام وسائل ميكانيكية فقط وبطاقّة أقل بكثير من إذابة كل شيء من الصفر. تُظهر الدراسة أيضًا أن النماذج الحاسوبية يمكن أن تساعد في تصميم وتحسين هذه المعدات، لكن فقط إذا أخذت في الحسبان أشكال الخردة الحقيقية الغريبة. من خلال تحسين هذه النماذج وتكييفها مع تيارات نفايات محددة، يمكن لمحطات التدوير التنبؤ بشكل أفضل بكيفية تشغيل فواصِلها، زيادة استرداد النحاس، ودعم الطلب المتزايد على هذا المعدن الحيوي مع تخفيف الضغط عن المناجم والبيئة.

الاستشهاد: Madej, P., Zybała, R., Rządzka-Madej, A. et al. Air classification of copper granules from recycled electrical cables using a zig-zag separator. Sci Rep 16, 12000 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42336-y

الكلمات المفتاحية: إعادة تدوير النحاس, نفايات الكابلات الكهربائية, التصنيف الهوائي, فاصل زيج‑زاك, ديناميكا السوائل الحسابية