معالجة مياه الصرف الصحي في إنتاج الديزل الحيوي.. التقاط الكربون والمواد القيمة لتعويض التكاليف

بينما يوفر الديزل الحيوي بديلاً أنظف احتراقًا من الديزل البترولي، إلا أنه يُنتج ثاني أكسيد الكربون ومياه صرف صحي خطرة أثناء التصنيع، مما يتطلب خطوات إضافية لتحقيق الاستدامة.

تعمل دراسة تشخيصية بقيادة باحثين من جامعة ميشيجان على تحسين عملية تلتقط ثاني أكسيد الكربون أثناء معالجة مياه الصرف الصحي الناتجة عن الديزل الحيوي، وتُنتج منتجات ثانوية قيّمة مثل الوقود والمواد الكيميائية الخضراء.

أثناء إنتاج الديزل الحيوي، تُحوّل الدهون- مثل الزيوت النباتية، والدهون الحيوانية، وشحوم المطاعم المُعاد تدويرها – إلى وقود من خلال عملية تُسمى الاسترة.

بمساعدة مُحفّز، يُفكّك الكحول (عادةً الميثانول) الروابط في جزيئات الدهون مُنتجًا الجلسرين وجزيئات طويلة تشبه السلسلة تُسمى إسترات الأحماض الدهنية.

تعويض تكاليف إنتاج الديزل الحيوي

تتحول إسترات الأحماض الدهنية، التي تشبه في بنيتها الجزيئية ديزل البترول، إلى ديزل حيوي، بينما يتسرب الجلسرين إلى مياه الصرف الصحي كمنتج ثانوي.

إذا تُرك الجلسرين دون معالجة، فقد يُلوث موارد المياه الطبيعية باستنزاف مستويات الأكسجين، مما يُسبب اختناق الأسماك والكائنات الحية الأخرى.

شملت المعالجة في البداية ترشيح أو تحليل الجلسرين والملوثات الأخرى، لكن الجهود الأحدث تهدف إلى استعادة المواد القيّمة من مياه الصرف الصحي، مما يُسهم في تعويض تكاليف إنتاج الديزل الحيوي.

يشير الباحثون إلى أن إنتاج الديزل الحيوي يشهد ارتفاعًا ملحوظًا، مما يُتيح فرصةً للاستفادة من إمكانات مجاري النفايات.

استعادة موارد النفايات بكفاءة أكبر

قال جوشوا جاك، الأستاذ المساعد في الهندسة المدنية والبيئية في جامعة ميشيجان والمؤلف المراسل للدراسة المنشورة في مجلة العلوم والتكنولوجيا البيئية: “من خلال تطوير محفزات كهربائية أكثر استقرارًا، يمكننا البدء في تسخير الطاقة المتجددة لاستعادة القيمة من موارد النفايات بكفاءة أكبر”.

هناك تكتيك قيد التطوير يُسمى الاختزال الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون، أو eCO2R ، يستخدم الكهرباء لتحويل ثاني أكسيد الكربون من مصادر مثل غاز عادم الديزل الحيوي إلى منتجات ذات قيمة مضافة، ومع ذلك، تعتمد هذه العملية عادةً على مياه عالية النقاء ومحفزات معادن ثمينة باهظة الثمن لتحفيز تفاعل تطور الأكسجين (OER) اللازم لاختزال eCO2R.

اتجه الباحثون نحو بديل أرخص وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة من المواد المحفزة المفتوحة، وهو تفاعل الأكسدة والاختزال الكهروكيميائي للجلسرين (GOR)، وتستفيد هذه التقنية من قدرة الجلسرين على الأكسدة والاختزال المنخفضة للغاية – أو قدرته القوية على تبادل الإلكترونات – مما يخفض استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين 23% و53%، حسب نوع المحفز.

يُحدد نوع المحفز أيضًا المواد الكيميائية التي يُمكن أن تُنتجها شركة GOR وقد استقطب النيكل الاهتمام مؤخرًا نظرًا لتكلفته المنخفضة وسهولة تصنيعه وقدرته على إنتاج منتجات ثانوية عالية القيمة مثل الفورمات، وهي مادة كيميائية تُستخدم في إنتاج وتخزين الأغذية، وتُقدر قيمتها بـ 146 دولارًا أمريكيًا للتر .

عملية واحدة

وقال كيونج هو كيم، باحث ما بعد الدكتوراه في الهندسة المدنية والبيئية في جامعة ميشيجان والمؤلف الرئيسي للدراسة، “إن ربط GOR مع التحليل الكهربائي لثاني أكسيد الكربون لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء يدمج إدارة مياه الصرف الصحي المستدامة واستخدام ثاني أكسيد الكربون والتوليف الكيميائي الأخضر في عملية وحدة واحدة”.

في حين أن الأبحاث الحديثة سعت إلى تعظيم النشاط التحفيزي لـ GOR، إلا أن التركيز كان أقل على استقرار المحفزات على مدى فترات زمنية أطول.

ولتحسين العملية، ركز الباحثون على استقرار محفز النيكل على مدار 24 ساعة من التشغيل.

جدول تنظيف وصيانة منتظم

طوّر فريق البحث في البداية مياه صرف صحي اصطناعية تحتوي على الجلسرين والميثانول والصابون والماء.

وطبّقت التجارب جهدًا كهربائيًا على مُحاكي مياه الصرف الصحي الموجود داخل خلية تدفق- وهو جهاز مزود بقطب موجب من النيكل (الأنود) وقطب سالب من البلاتين (الكاثود).

تُفصّل النتائج عدة طرق غير معروفة سابقًا لفقدان محفّز النيكل فعاليته بمرور الوقت، انخفض التيار 99.7% خلال 24 ساعة من التشغيل، ويعود ذلك أساسًا إلى جزيئات تعيق قطب النيكل.

سيكون من الضروري تنفيذ جدول تنظيف وصيانة منتظم للاستخدام الطويل الأمد لمحفزات النيكل الموفرة للطاقة قبل اعتمادها في بيئة العالم الحقيقي.

وقال جاك: “إن الإطار التحليلي المستخدم في هذه الدراسة يمكن أن يوفر خارطة طريق جديدة لتقييم استقرار المحفز، ويمكن استخدام النتائج التجريبية لتحسين تصميم المحفز وتشغيله في العمليات البيئية المتنوعة”.

تعد هذه الدراسة إحدى الخطوات الأولى نحو بناء محفزات كهربائية أكثر قوة وقادرة على العمل بكفاءة في مياه الصرف الصحي .