التعافي الأخضر للفاناديوم من المحفز المستعمل الناتج عن إنتاج حمض الكبريتيك

تحويل النفايات الصناعية إلى مورد

تتخلص المصانع التي تُنتج حمض الكبريتيك سنوياً من آلاف الأطنان من المحفزات المستعملة—كرات صلبة كانت تسرع التفاعلات الكيميائية داخل أبراجها. هذه المواد المُهملة غنية بمعدن الفاناديوم، الذي له قيمة صناعية ولكنه ضار إذا تسرب إلى الهواء أو التربة أو الماء. تستكشف هذه الدراسة طريقة لاسترجاع الفاناديوم من تلك النفايات باستخدام حمض نباتي نسبيًا ولطيف، محوّلةً منتجاً ثانوياً خطراً إلى مادة خام مفيدة مع تقليل الضغط على البيئة.

لماذا يهم الفاناديوم وحمض الكبريتيك

يُعد حمض الكبريتيك أحد أكثر المواد الكيميائية إنتاجًا في العالم، ويُستخدم في الأسمدة وتكرير الوقود والمتفجرات والأصباغ وبطاريات السيارات. تتضمن صناعته تحويل غاز ثاني أكسيد الكبريت إلى ثلاثي أكسيد الكبريت بمساعدة محفز قائم على الفاناديوم. مع مرور الوقت تفقد حبيبات المحفز فعاليتها ويُستبدل، مولدةً نحو 40,000 طن من المواد المستعملة سنويًا على مستوى العالم. لا تزال هذه المخلفات تحتوي على خامس أكسيد الفاناديوم، وهو مركب مرغوب لخصائصه الإلكترونية والتحفيزية ولكنه معروف أيضًا بتسبب تهيج الرئتين وإيذاء النباتات وتلويث النظم البيئية إذا تُرك دون رقابة.

البحث عن طريقة ألطف لاستخلاص معدن مفيد

ليس استرجاع الفاناديوم من النفايات أمراً جديداً، لكن العديد من الطرق الحالية تعتمد على أحماض معدنية قوية أو معالجات قلوية قاسية. يمكن أن تكون هذه الطرق مكلفة ومسببة للتآكل ومجهدة بيئيًا. شرع المؤلفون في اختبار ما إذا كانت الأحماض العضوية البسيطة—المشابهة لتلك الموجودة في الفواكه أو الخل—قادرة على أداء المهمة بدلاً من ذلك. طحنوا كرات المحفز المستعملة إلى جسيمات دقيقة وعرضوها لأربعة أحماض مختلفة: الستريك (حمض الليمون)، والأكساليك، والتارتاريك، والأسيتك. من خلال ضبط كمية الحمض المستخدمة ومدة الخلط ودرجة الحرارة ونسبة الصلب إلى السائل، قاسوا مقدار الفاناديوم الذي يمكن استخراجه إلى المحلول.

حمض الستريك يتقدم كمساعد أخضر

من بين الخيارات الأربعة، برز حمض الستريك. في درجة حرارة الغرفة وبنفس القوة، استخلص كمية أكبر بكثير من الفاناديوم مقارنةً بالآخرين. بعدها استكشف الفريق الظروف التي تجعل حمض الستريك يعمل بأفضل شكل. أدى زيادة تركيزه حتى مول واحد لكل لتر إلى تحسن مستمر في الاستخلاص، ثم تضاءلت المكاسب. كانت مدة التفاعل نحو ساعتين كافية؛ فالفترات الأطول أضافت القليل من الفائدة. ساعدت نسبة صلب إلى سائل منخفضة الحمض على الوصول إلى جميع أسطح الجسيمات، وتسخين المزيج بلطف حتى 70 °C زاد من معدل الاسترجاع. تحت الوصفة المثلى—حمض ستريك 1 مول/لتر، حمل صلب 2 بالمئة، 70 °C، وسط حمضي طفيف، وانسلاخ لمدة ساعتين—استعاد العملية نسبة مثيرة للإعجاب تبلغ 95 بالمئة من الفاناديوم الموجود.

نظرة داخلية على الكيمياء

لفهم ما يجري على مستوى أعمق، استخدم الباحثون أدوات تستقصي بنية وتركيب المواد. أظهرت قياسات الأشعة السينية أنه بعد المعالجة فقدت الرواسب الصلبة الإشارات المرتبطة بمركبات الفاناديوم، مؤكدًة أن ما يقرب من كل المعدن انتقل إلى السائل. كشفت مطيافية الأشعة تحت الحمراء عن أنماط اهتزاز جديدة في محلول حمض الستريك بعد ملامسته للمحفز، متوافقة مع تشكل مركبات مستقرة للفاناديوم مع أيونات الستريت. ببساطة، لم يقم حمض الستريك فقط بإرخاء ارتباطات الفاناديوم في الصلب من خلال توفير أيونات الهيدروجين، بل أيضاً أحاطه «جزيئياً» بحالة تحفظه مذاباً وجاهزًا للاسترجاع لاحقًا.

من السائل إلى صلب ذي قيمة

بمجرد أن تم احتجاز الفاناديوم بأمان في المحلول، احتاج الفريق إلى تحويله إلى منتج مفيد. فعلوا ذلك بإضافة ملح شائع يحتوي على أيونات الأمونيوم وضبط المزيج ليصبح قاعديًا قويًا. في هذه الظروف ترسب الفاناديوم كصلة أمونيومية صلبة. أحّلت معالجة هذا الصلب بالحرارة في الهواء عند درجة عالية إلى خامس أكسيد الفاناديوم—المسحوق الأصفر الساطع الذي تطلبه الصناعة. تُغلق هذه الخطوة النهائية الحلقة: إذ يُحوّل نفاية خطرة من إنتاج حمض الكبريتيك إلى مادة ذات قيمة عالية جاهزة لإعادة الاستخدام في البطاريات أو المحفزات أو تقنيات أخرى.

مسار أنظف لنفايات المعادن الثقيلة

بعبارات يومية، تُظهر هذه الدراسة أن حمضًا لطيفًا شبيهًا بالحمضيات يمكنه نزع معدن خطير لكنه ثمين من مخلفات صناعية بكفاءة عالية جدًا. من خلال استبدال المواد الكيميائية الأكثر قسوة واحتجاز ما يصل إلى 95 بالمئة من الفاناديوم، يقدم الأسلوب وسيلة لتقليص أكوام النفايات وتقليل التلوث واستعادة مورد استراتيجي كان سيُرمى. إذا نُفّذ على نطاق أوسع، يمكن لمثل هذه المخططات «الخضراء» لاسترداد المواد أن تساعد العديد من المصانع الكيميائية على معاملة موادها المستهلكة ليس كقمامة، بل كمناجم ثانوية موجودة خارج بوابة المصنع.

الاستشهاد: Shaltout, A.A., El-Hallag, R.S.F. & Razek, T.M.A. Green recovery of vanadium from spent vanadium catalyst from sulfuric acid production. Sci Rep 16, 12869 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47112-6

الكلمات المفتاحية: استرجاع الفاناديوم, إعادة تدوير المحفز المستعمل, استخلاص بحمض الستريك, صناعة حمض الكبريتيك, علم المعادن الأخضر