لقد أظهرت نتائج التجارب المعملية قدرة فائقة للحبيبات النانوية لعنصر الحديد صفري التكافؤ في القيام بمهامها الخاصة بتنقية المياه الجوفية الملوثة بالمخلفات الصناعية. وقد عزا العلماء تلك القدرة الفريدة إلى صغر أحجام حبيبات الحديد المستخدمة الذي يعني تمتعها بمساحة سطحية كبيرة ووجود أعداد كبيرة من ذرات الحديد على الأسطح الخارجية لتلك الحبيبات مما يعزز ويزيد من نشاطها الكيميائي وقدرتها على أداء دور المحفزات الكيميائية النشطة، وذلك إذا ما تم ضخها إلى مكامن المياه الجوفية الملوثة بالمركبات العضوية شديدة السمية. وتجدر الإشارة هنا إلى أن صفة الحجم المتناهي في الصغر لحبيبات الحديد المستخدمة قد أتاح لها القدرة على التخلل بسهولة من خلال المسام الدقيقة لطبقات التربة التي تعلو المياه الجوفية وكذلك الحاملة لها، وهذا بطبيعة الحال يؤهلها للتعامل بكفاءة مع الملوثات الكامنة في بؤر المسام المايكرومترية والنانوية بالتربة وإزالتها.

وتتلخص عملية تنقية المياه الجوفية من الملوثات العضوية في ضخ خليط مكون من مسحوق حبيبات الحديد نانوية الأقطار يتم خلطها بحبيبات مسامية من الرمال، لتقوم بدور الوسط الحامل لها وضخ هذا المخلوط في بئر رأسية تصل إلى طبقة صخر القاع Bed Rock الموجودة تحت السطح السفلي لطبقة المياه الجوفية المراد معالجتها. ويشترط في هذه البئر المشحونة بالحبيبات أن تُنفَّذ على هيئة متوازي مستطيلات بحيث تعترض أحد أوجهها الممتدة على عرض طبقة المياه الجوفية مسار سريان تلك الطبقة المائية، كما هو مبين في الشكل (11 – 2). ويطلق على هذه البئر العمودية المشحونة بالحبيبات مصطلح «حاجز التلوث أو حاجب التلوث Contamination Barrier».

الشكل (11– 2) رسم تخطيطي موضحا عليه كيفية معالجة المياه الجوفية الملوثة من خلال مرورها عبر جدار لحاجز مشحون بخليط من حبيبات الحديد النانوية المحمولة بواسطة رمال مسامية ⁽⁴⁾.

وبمجرد دخول المياه الجوفية الملوثة إلى واجهة البئر المتعامدة على مسارها وتخللها للمسام الرملية الحاضنة لحبيبات الحديد النانوية على طول سمك البئر، تبدأ مركبات الملوثات في الالتقاء مع حبيبات الحديد التي تقوم بدورها في تكسير روابط تلك الجزيئات وتحويلها إلى صور عضوية غير ضارة. فعلى سبيل المثال ينتج عن عملية تنقية المياه من جزيئات رباعي كلوريد الكربون CCl₄ شديد الخطورة غاز الكلور CI والكلورفورم CHCI₃ الأقل خطورة. هذا وتعتمد ميكانيكية التفاعل السابقة على تفاعل الأكسدة – الاختزال، حيث تتأين حبيبات الحديد متحولة إلى أيونات موجبة ثنائية الشحنة، ينطلق معها عدد 2 إلكترون e. وتبدأ الإلكترونات السالبة في وجود أيون الهيدروجين بالتفاعل مع رباعي كلوريد الكربون على النحو التالي:

وكما هو مبين بالشكل (11 – 2)، تخرج المياه، بعد أن باتت مياها معالجة خالية من المركبات العضوية السامة والمسرطنة من الوجه المقابل للبئر من الناحية الأخرى، وذلك تحت تأثير الميل الطبيعي المتحكم في اتجاه سريان طبقة المياه الجوفية.

وقد أظهرت نتائج التجارب الحقلية لفريق بحثي بجامعة «لاهاي الأمريكية» على فاعلية توظيف حبيبات الحديد وسبائكه النانوية في عمليات تنقية المياه الجوفية وتخليصها من المركبات العضوية الفتاكة شديدة السمية مثل ثنائي الفينيل متعدد الكلور والمبيدات الحشرية مثل «دي دي تي». كذلك تمثل حبيبات الحديد صفري التكافؤ محفزات واعدة تستخدم لإزالة مركبات الزرنيخ As من المياه الجوفية الملوثة والتي تقع بالقرب من المناطق الصناعية.

ومن المعروف أن الزرنيخ يوجد في المياه الجوفية على صورتين، هما أيونات ^-AsO₃³ (زرنيخيات ثلاثية) وAsO₄^3- (زرنيخيات خماسية) وذلك وفقا لمدى حامضية أو قلوية الوسط المائي المحيط ⁽⁵⁾. وكلتا الصورتين من الزرنيخ تتسم بالسمية، بيد أن الزرنيخيات الثلاثية هي الأخطر حيث تفوق سميتها سمية الزرنيخيات الخماسية بنحو عشرة أضعاف، لذا فإن ميكانيكية عمل حبيبات الحديد النانوية تقوم على كيفية أكسدة الزرنيخيات الثلاثية عالية الذوبان في الماء لتكوين مركب الزرنيخيات الخماسية ضعيفة الذوبان والذي يمكن إزالتها من الماء بسهولة بعد أن تترسب به. ويتم التفاعل في إطار التفاعلات التالية ⁽⁶⁾:

وعلى النقيض من الأسلوب المتبع في تكسير مركبات الهالوجينات السامة فإن الطريقة المتبعة في معالجة المياه الجوفية لإزالة الخارصينات الثلاثية منها يتم من خلال ضخ المياه الجوفية مرحليا إلى خزان ينشأ أعلى البئر كما هو موضح في الشكل (11 – 3) والخزان المبين في الشكل ينقسم في الداخل إلى عدة غرف بحيث تمر عليها المياه الجوفية الواردة من البئر، وتختص كل غرفة بتنفيذ مهام مختلفة عن الغرفة التي تليها، فنجد أن الغرفة الأولى تختص بالتنقية الأولية للمياه، وذلك من خلال عمليات ترشيح ومعالجات كيميائية تتم بغرض التخلص من شوائب الأجسام الصلبة والجسيمات البكتيرية.

وتُنهي المياه المرشحة مسارها بالمرور على أهم مرحلة، وهي مرحلة أكسدة الزرنيخيات الثلاثية وتحويلها إلى معلقات ورواسب من أملاح الزرنيخيات الخماسية، وذلك عن طريق إمرار المياه إلى طبقة مكونة من خليط من الرمال الناعمة المحتوية مسامها على حبيبات الحديد صفري التكافؤ والذي بواسطته يجري التخلص من الخارصينات السامة. وتتبع تلك المرحلة مرحلة الترشيح النهائي وخروج مياه نظيفة تماما. ويرجع السبب وراء استخدام طريقة تنقية المياه داخل خزانات تنشأ خارج البئر إلى أن كيمياء الخارصينات ذاتها تعد كيمياء مُعقدة للغاية، وتتوقف التفاعلات بها على مجموعة من العوامل المختلفة المساعدة والتي يصعب التحكم فيها عند وجود المياه تحت سطح الأرض.

ويُعتبر العامل الهيدروجيني (pH) أحد أهم تلك العوامل المساعدة التي يجب البحث في تأثيرها على تفاعل الأكسدة – الاختزال، واختيار القيم المناسبة وفقا لمياه كل بئر. والتحكم في هذه العوامل المساعدة يعمل على ضمان نجاح أكسدة أيونات الزرنيخيات الثلاثية المذابة في الماء وتحويلها إلى مركبات غير مذابة من أيونات الزرنيخيات الخماسية سالبة الشحنات التي تنجذب كي تلتصق بأسطح جزيئات هايدروكسيد الحديد ₃(Fe(OH الموجبة، ومن ثم تتم إزالتها بواسطة تقنيات الفصل المغناطيسي باستخدام مجال مغناطيسي ضعيف.

الشكل (11 – 3): رسم تخطيطي يوضح طريقة معالجة المياه الجوفية الملوثة بالزرنيخ من خلال استخدام ضخ المياه إلى خزان يقع خارج سطح الأرض، والذي فيه تحدث المعالجة بواسطة حبيبات الحديد النانوية صفرية التكافؤ.

_______________________________________________
هوامش

(4) T John Mongillo. Nanotechnology. Greenwood Press, London, 2007.

(5) D.B. Vance, «Arsenic - chemical behavior and treatment»، http:// www. 2the4.net/arsenicart.htm

(6) G.N. Manju, C. Raji and T.S. Anirudhan. Water Res., Vol. 32 (1998) 3062.