تقنية جديدة تحول مياه الصرف إلى كهرباء وبيروكسيد الهيدروجين وتزيل بقايا المضادات الحيوية

طور باحثون نظامًا مبتكرًا لمعالجة مياه الصرف الصحي يجمع بين إزالة بقايا المضادات الحيوية وإنتاج بيروكسيد الهيدروجين وتوليد الكهرباء، باستخدام خلية وقود ميكروبية مزودة بأقطاب كهربائية من الألياف النانوية، في محاولة للاستفادة من المواد العضوية الموجودة في مياه الصرف وتحويلها من مصدر للتلوث إلى مورد يمكن استغلاله في إنتاج الطاقة والمواد الكيميائية.

وتعتمد التقنية على استخدام البكتيريا الموجودة طبيعيًا في مياه الصرف لتفكيك المواد العضوية وإطلاق الإلكترونات، التي تنتقل عبر دائرة كهربائية لتوليد تيار، بينما يوجه النظام جزءًا من هذه الإلكترونات لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين، وهو مركب مؤكسد يُستخدم في التطهير والتبييض والصناعات الكيميائية.

ونُشرت نتائج الدراسة في دورية Journal of Power Sources، وتقدم تصورًا لنظام واحد يؤدي ثلاث وظائف متزامنة: معالجة مياه الصرف، وإزالة أحد المضادات الحيوية الشائعة، وإنتاج مادة كيميائية مفيدة إلى جانب كمية محدودة من الكهرباء.

خلية وقود تستفيد من البكتيريا الموجودة في مياه الصرف

تقوم فكرة خلية الوقود الميكروبية على استغلال البكتيريا التي تستهلك المواد العضوية الموجودة في مياه الصرف، إذ تطلق هذه الكائنات الدقيقة إلكترونات خلال عملياتها الحيوية.

وعندما يوفر الباحثون قطبًا كهربائيًا مناسبًا تنمو عليه البكتيريا، تنتقل الإلكترونات إلى هذا القطب، ثم تسير عبر سلك إلى قطب آخر، ما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي.

لكن التحدي في هذه التقنية يتمثل في أن كمية الكهرباء الناتجة عادة ما تكون محدودة، وهو ما دفع الباحثين إلى البحث عن استخدامات أخرى للإلكترونات بدلًا من توجيهها بالكامل نحو توليد الكهرباء.

وفي القطب الثاني، تتفاعل الإلكترونات عادة مع الأكسجين لتكوين الماء، وهي عملية تحتاج إلى أربعة إلكترونات. لكن إذا جرى التحكم في التفاعل بحيث يتوقف عند مرحلة انتقال إلكترونين، يمكن إنتاج بيروكسيد الهيدروجين بدلًا من الماء.

ويُعد بيروكسيد الهيدروجين مؤكسدًا يُستخدم في عمليات التطهير والتبييض والتصنيع الكيميائي، بينما يتطلب إنتاجه صناعيًا عادة منشآت كبيرة وعمليات تستهلك الطاقة والمواد الكيميائية، ولذلك تستهدف التقنية الجديدة إنتاجه مباشرة داخل خلية الوقود، مستفيدة من الإلكترونات الناتجة عن نشاط البكتيريا.

ألياف نانوية مدعمة بالحديد والنيكل

لتحقيق ذلك، صمم الباحثون قطبًا كهربائيًا باستخدام قطعة مرنة من نسيج الكربون، جرى تشريبها بأملاح الحديد والنيكل، ثم تسخينها لتحويل هذه الأملاح إلى أكاسيد.

بعد ذلك، عرّض الفريق المادة لغاز الأسيتيلين عند درجة حرارة بلغت 800 درجة مئوية، ما أدى إلى تراكم ذرات الكربون وتكوين ألياف نانوية امتدت من سطح النسيج، في صورة تشبه الشعيرات الدقيقة.

وخلال نمو هذه الألياف، تحركت جسيمات المعادن معها إلى أطرافها، بحيث انتهت كل ليفة برأس يحتوي على أكاسيد معدنية.

ويتميز القطب الناتج بأنه لا يحتاج إلى مواد لاصقة أو مواد رابطة لتثبيت مكوناته، إذ يجمع بين ألياف موصلة للكهرباء وأطراف محفزة للتفاعلات الكيميائية، فضلًا عن سطح خشن يشبه الغابة الدقيقة، يوفر بيئة مناسبة لالتصاق البكتيريا وتكوين غشاء حيوي كثيف.

وأوضح الباحثون أن كل ليفة نانوية تعمل كسلك كهربائي دقيق ينتهي بمحفز كيميائي، مشيرين إلى أن التجربة لا تزال إثباتًا للمفهوم داخل المختبر، وليست نموذجًا لمحطة معالجة مياه صرف جاهزة للتشغيل على نطاق واسع.

إزالة شبه كاملة للمضاد الحيوي خلال 48 ساعة

اختبر الباحثون القطب نفسه على جانبي خلية وقود ميكروبية مكونة من حجرتين، واحتوت الحجرة الأولى على مياه صرف صحي جُمعت من مدينة بوبال الهندية، وأضيف إليها مضاد الكلورامفينيكول الحيوي بتركيز 50 ملليجرامًا لكل لتر، بينما احتوت الحجرة الثانية على محلول كبريتات الصوديوم.

وترك الباحثون البكتيريا لمدة أسبوع حتى تستقر وتنمو على القطب، كما أتاحوا للمضاد الحيوي التفاعل مع القطب لمدة يوم واحد، قبل إغلاق الدائرة الكهربائية وبدء تشغيل النظام.

وبعد مرور 48 ساعة، أظهرت قياسات التحليل الكروماتوجرافي أن إشارة المضاد الحيوي انخفضت إلى مستوى شبه معدوم.

وفي تجربة مقارنة أُجريت مع إبقاء الدائرة الكهربائية مفتوحة، لم تختفِ سوى نحو 5% من كمية المضاد الحيوي، وهو ما يشير إلى أن انخفاض تركيزه لم يكن ناتجًا فقط عن امتصاصه على سطح القطب، بل ارتبط بنشاط النظام الحيوي والكهربائي أثناء تشغيله.

كما انخفض الطلب الكيميائي على الأكسجين في مياه الصرف بنسبة 94%، وهو مؤشر يُستخدم لقياس كمية المواد العضوية القابلة للأكسدة الموجودة في المياه، وبالتالي تقدير مستوى التلوث العضوي فيها.

إنتاج بيروكسيد الهيدروجين وتوليد الكهرباء

وفي الحجرة الأخرى، تراكم بيروكسيد الهيدروجين حتى بلغ تركيزه 0.74 ملليمول لكل لتر، وأوضح الباحثون أن معظم الإلكترونات التي انتقلت عبر السلك الكهربائي انتهت إلى إنتاج هذا المركب.

وإلى جانب إنتاج بيروكسيد الهيدروجين، ولّدت الخلية جهدًا كهربائيًا بلغ نحو 0.6 فولت، مع وصول كثافة القدرة القصوى إلى 24.7 ملليوات لكل متر مربع.

وأظهرت التجارب أهمية الجمع بين الحديد والنيكل في تصنيع القطب، إذ كان أداء الأقطاب التي تحتوي على الحديد وحده أو النيكل وحده أقل من أداء القطب الذي يجمع المعدنين.

وسجل القطب المختلط أعلى تيار كهربائي، وأقل مقاومة لانتقال الشحنات، كما كشفت تحليلات مطيافية الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية عن تغيرات متعاكسة في الحالة الإلكترونية لكل من الحديد والنيكل، وهو ما يشير إلى إعادة توزيع الإلكترونات بين المعدنين.

ويرجح الباحثون أن التفاعل بين المعدنين يساعد كلًا منهما على تحسين أداء الآخر، بما يعزز كفاءة القطب في نقل الشحنات وتحفيز التفاعلات الكيميائية.

حدود التقنية ومخاوف نواتج تحلل المضاد الحيوي

رغم النتائج التي حققها النظام، أكد الباحثون أن كمية الكهرباء الناتجة لا تزال محدودة، وهو تحدٍ معروف في خلايا الوقود الميكروبية عمومًا.

كما أوضحوا أن المضاد الحيوي لم يختفِ تمامًا من النظام، بل تعرض للتحول والتحلل إلى مركبات أخرى، فقد انخفض إجمالي الكربون العضوي بنحو النصف، بينما كشف تحليل مطياف الكتلة عن وجود 8 نواتج للتحلل، فقدت عدة مركبات منها ذرات الكلور.

ولا يزال الباحثون غير متأكدين من مدى الضرر المحتمل لهذه النواتج، وما إذا كانت آمنة بيئيًا، وهو ما يتطلب إجراء اختبارات إضافية لتحديد سميتها وتأثيراتها.

كذلك، اقتصرت التجربة على خلية صغيرة بلغ حجم كل حجرة فيها 250 ملليلترًا، ما يعني أن النتائج لا تثبت بعد إمكانية تشغيل التقنية على نطاق محطات معالجة مياه الصرف أو التعامل مع كميات كبيرة من المياه الملوثة.

وأشار الباحثون إلى أن هذه التجربة، بحسب علمهم، تمثل المرة الأولى التي يُستخدم فيها قطب واحد لا يحتوي على مواد رابطة للجمع بين معالجة مياه الصرف وإزالة المضادات الحيوية وإنتاج بيروكسيد الهيدروجين وتوليد الكهرباء داخل خلية واحدة.

الخطوات المقبلة لتطوير النظام

يخطط الفريق البحثي لإطالة فترة تشغيل الخلية، واختبار قدرتها على التعامل مع أنواع أخرى من الأدوية والمضادات الحيوية، فضلًا عن دراسة سمية المركبات الناتجة عن تحلل الملوثات.

كما يعتزم الباحثون ربط عدة خلايا معًا على التوالي لزيادة الجهد الكهربائي والقدرة الناتجة، في محاولة لتحسين كفاءة النظام وتوسيع نطاق استخدامه مستقبلًا.

وتشير النتائج إلى إمكانية الجمع بين معالجة مياه الصرف وإنتاج مواد كيميائية مفيدة وتوليد الكهرباء في نظام واحد، لكن الباحثين يؤكدون أن التقنية لا تزال في مرحلة التجارب المعملية، وأن تقييم سلامة نواتج التحلل وتحسين إنتاج الطاقة واختبار التشغيل طويل الأمد تمثل خطوات ضرورية قبل التفكير في تطبيقها عمليًا.