אופטימיזציה של פרמטרים לפירוק בביצוע אלקטרו-פנטון של שרף אניוני באמצעות מתודולוגיית משטח תגובה

ניקוי שפכים גרעיניים

תעשיית הכוח והמחקר הגרעינית מסתמכת על "ספוגים" מיוחדים הנקראים שרפים לחילוף יונים כדי לסלק מזהמים מהמים. כאשר שרפים אלה מתרוקנים, הם עצמם הופכים לפסולת מסוכנת הרוויה במזהמים מרוכזים. מחקר זה בוחן דרך מהירה ונקייה יותר להשמדת סוג נפוץ של שרף פסולת — המרה שלה לתוצרים סופיים חסרי-פגע והפיכת טיפול בשפכים רדיואקטיביים לבטוח ויעיל יותר.

מדוע גרגירי המסנן הישנים הם בעיה גדולה

במתקנים גרעיניים, גרגירי פלסטיק זעירים הידועים כשרפי חילוף יונים אניוניים מושכים חומרים בלתי רצויים מהמים. עם הזמן, הגרגירים מתמלאים במרכיבים אורגניים ואלמנטים רדיואקטיביים ומחויבים להוציאם משימוש. אפשרויות טיפול מסורתיות — כגון שריפה, הטמנה באתרי פסולת או ניטרול כימי פשוט — עלולות להשאיר שאריות קשות לטיפול, לסכן שחרור רדיואקטיביות או לדרוש זמני עיבוד ארוכים. חמצון רטוב, שמשתמש במים חומציים וחמים עשירים בחמצן כדי לפרק את הגרגירים, בטוח יותר אך איטי, לרוב דורש 8–10 שעות ובוזבזים חלק ניכר מחומרי החמצון המוספים.

ניקוי כימי בסיוע חשמל

החוקרים התמקדו בשיטה מתקדמת שנקראת תהליך אלקטרו-פנטון, המשלבת חשמל עם חמצון כימי קלאסי. בתגובת פנטון, מי חמצן פועלים יחד עם מלחי ברזל כדי ליצור רדיקלים הידרוקסיליים מאוד תגובתיים — "בולדוזרים" כימיים קצרים-חיים המפוררים מולקולות אורגניות. הגרסה האלקטרו-פנטונית משמרת את התגובה ביעילות גבוהה יותר: אלקטרודה מיוחדת מטיטניום מצופה דו-חמצת עופרת מסייעת ביצירת הרדיקלים ובהשבתת צורת הברזל הפעילה, בעוד אלקטרודת רשת בקתודה מסייעת למחזור הברזל בתמיסה. הצוות טיפל בשרף אניוני אמיתי משפך גרעיני (ZG CNR170) במערכת תגובה בקנה מידה מעבדתי מצוידת בחימום, עירבול והזנת מבוקרת של מי חמצן.

מציאת הנקודה האופטימלית בהגדרות

כדי להפוך את ההתקנה המבטיחה לכלי מעשי, המדענים שינו באופן שיטתי ארבעה כיוונים מרכזיים: חומציות (pH) התערובת, הזרם החשמלי, מינון מלח הברזל (FeSO₄) וקצב הזנת מי החמצן. הם עקבו אחר הצלחת הטיפול על ידי מדידת דרישת חמצן כימית (COD) בנוזל לאחר פירוק הגרגירים — מדד סטנדרטי לכמות הזיהום האורגני שנותרה. בתחילה שינו גורם אחד בכל פעם כדי לזהות מגמות רחבות: זרם חשמלי בינוני האיץ את הפירוק אך זרם גבוה מאוד דווקא פגע בביצועים; הוספת יותר קטליזטור ברזל סייעה רק עד נקודה מסוימת; והזנה איטית מדי של מי חמצן עיוורה את התגובה, בעוד הזנה מופרזת גרמה לבזבוז וקצף. החומציות הייתה משמעותית גם כן: התהליך תפקד היטב בתנאים חומציים חזקים, אך לא בנקודות ה-pH הנמוכות ביותר.

שימוש בסטטיסטיקה לכיוון התהליך

לאחר מכן השתמשו החוקרים בכלי סטטיסטי המכונה מתודולוגיית משטח תגובה כדי לחקור כיצד כל ארבעת הכיוונים מתקשרים בו-זמנית. הם הריצו 30 ניסויים מתוכננים בקפידה ובנו מודל מתמטי שחוזה כמה COD יישאר לאחר 150 דקות בתנאים שונים. ניתוח זה הראה שמינון מלח הברזל השפיע במידה החזקה ביותר על הניקוי, אחריו קצב הזנת מי החמצן, אז ה-pH, כאשר הזרם שיחק תפקיד קטן יותר אך משמעותי. חשוב מכך, הוא הדגיש כי היחס בין הברזל למי החמצן קריטי: מעט מדי מכל אחד מאט את התגובה, בעוד יותר מדי ברזל עלול לצרוך את הרדיקלים השימושיים במקום לאפשר להם לתקוף את השרף.

מגרגירים למולקולות חסרות-פגע

כימית, התהליך פועל על ידי הסרת קבוצות פונקציונליות ממבנה השרף ולאחר מכן חיתוך של השלד לחתיכות זעירות יותר ויותר. הרדיקלים האגרסיביים תוקפים קבוצות המכילות חנקן על פני שטח השרף, וממשיכים לפרק את שלד הפלסטיק שנותר לחומצות אורגניות קטנות, אלכוהולים ולבסוף לפחמן דו-חמצני ומים. בתנאים מיטביים — בערך pH 1.5, זרם של 7 אמפר, מינון ברזל שנבחר בקפידה והזנה יציבה של מי חמצן — השרף התמסר לחלוטין בתוך 150 דקות, ו-COD הנותר בנוזל ירד לרמות המצביעות על השמדה כמעט מלאה של החומר האורגני.

מה משמעות הדבר לטיפול בפסולת גרעינית

עבור מי שאינו מומחה, המסר המרכזי הוא שהמחקר מציג דרך מהירה ויעילה יותר "לשרוף כימית" גרגירי מסנן גרעיניים משומשים במים, ללא להבות פתוחות או תנאים קיצוניים. באמצעות איזון מדויק של חומציות, כוח חשמלי, קטליזטור הברזל ומי החמצן, תהליך האלקטרו-פנטון יכול להמיר בבטחה חומרים עקשניים אלו לתרכובות פשוטות ולא רעילות בתוך כשעתיים וחצי. זאת מספקת דרך מבטיחה לטיפול נקי וכלכלי יותר בשפכים רדיואקטיביים, והמודל הסטטיסטי שפותח כאן יכול לסייע למהנדסים לתכנן מערכות בקנה מידה מלא שממזערות חומרים כימיים, צריכת אנרגיה ופסולת משנית.

ציטוט: 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

מילות מפתח: אלקטרו-פנטון, שפכים רדיואקטיביים, שרף חילוף יונים, חמצון מתקדם, אופטימיזציה של טיפול בפסולת