كيف يعزز الفحم النشط نتائج تنقية مياه الشرب

في أنظمة تنقية مياه الشرب الحديثة، يبرز الكربون المنشط كخترق فعال لإزالة الملوثات في المياه. إن البنية المسامية القابلة للاختراق والمسطحات المتطورة ذات المسام العالية تسمح بامتصاص مجموعة واسعة من التحديات المتعلقة بنقاء المياه، أكثر مما تستطيع وسائط الترشيح الأخرى تحقيقه. باستخدام خرطوشة كربونية كجزء من مرشح مياه منزلي، أو في أجهزة التنقية المحمولة، أو في محطات المعالجة البلدية، يقوم الكربون المنشط بإزالة الطعم والرائحة الكريهة، ويقلل بشكل كبير من المواد الكيميائية الضارة الأخرى في المياه، دون إزالة المحتوى المعدني الضروري. يوضح هذا المقال كيف يحسن الكربون المنشط من جودة وسلامة المياه.

البنية المسامية الفريدة وميكانيكية الامتصاص

سر قدرة الفحم النشط على تصفية أو تنقية المواد يكمن في البنية التي تتشكل أثناء عملية التنشيط، والتي تتكوّن من العديد من الثقوب الصغيرة جداً تُسمى المسام. وتحدث هذه الثقوب نتيجة استخدام الحرارة أو المواد الكيميائية ما يؤدي إلى توسيع هائل في مساحة سطحه الداخلية. فقد تمتلك الجرام الواحدة من الفحم النشط مساحة سطح تقارب مساحة ملعب كرة قدم. ويحتوي الفحم النشط على مسام تتراوح من المايكرو إلى الماكرو، وهي فعّالة في التقاط ملوثات مختلفة بفضل المساحة السطحية الكبيرة هذه. أثناء عملية الامتصاص (Adsorption) التي يمر بها الفحم النشط، تلامس جزيئة الماء سطح الفحم وتمر عبره. وتُمتص الشوائب والمركبات المنظمة والعديد من المواد الكيميائية الموجودة في الماء أو تنجذب إلى سطح الفحم. وتحدث عملية الالتصاق بسطح الفحم نتيجة قوى فان دير فالز (Van Der Waals forces) التي تعمل على مسافة تتراوح بين 0.2 و0.5 نانومتر. وهي قوى ضعيفة مسؤولة عن ربط الملوثات مثل المبيدات والحشرات والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs) بالفحم. ولا تؤدي عملية الامتصاص الفيزيائيّة إلى تغيير كيميائي في الماء، ولا تضيف ملوثات كما تفعل بعض العمليات الكيميائية الأخرى.

إزالة الكلور ومكوناته الثانوية

إزالة الكلور ومكوناته الثانوية. توجد منظمات مختلفة، بما في ذلك محطات معالجة المياه البلدية، التي تقوم بتطهير المياه باستخدام الكلور. هذا بالفعل يحمل بعض المزايا، ولكن هناك بعض العيوب التي قد تظهر. المياه المطهرة بالكلور قد تكون ذات رائحة مصاحبة لها، كما يمكن أن يكون لها طعم غير اعتيادي. كما يُنتج الكلور مع المواد العضوية مكونات ثانوية تُعرف باسم مكونات التطهير الثانوية وهي مكونات خطرة، خاصة عند تناولها. وتشمل هذه مركبات التريهالوميثان والحمض الهالوي العضوي. هذه المكونات تمثل مخاطر صحية طويلة المدى يربطها الناس بها. امتصاص الكلور الحر والمكونات الثانوية الناتجة عن التطهير التي تضر بالبشر يقلل من المخاطر الصحية. ومن ثم، يمنع ذلك الشعور برائحة كريهة وطعم غير مرغوب فيه في الفم.

مثال بارز على ما سبق هو صنبور ماء مصمم خصيصًا للمنازل. تحتوي هذه الفلاتر على خراطيش كلور تُزيله وتحول الماء إلى ماء أكثر صحة للشرب.

إزالة الملوثات العضوية والمبيدات

من بين العديد من المواد التي قد توجد في مياه الشرب، مثل المبيدات والأعشاب الضارة والمواد المذيبة وحتى الأدوية المتبقية، لا يواجه الفحم النشط أي مشكلة في إزالتها جميعًا. في معظم الأحيان، تكون هذه المصادر المائية نتيجة بقايا زراعية وصناعية والتخلص غير المسؤول من النفايات. وبما أن المركبات المعنية عضوية، فإنها تنجذب وترتبط أثناء الترشيح بالفحم النشط وسطحه المسامي. على سبيل المثال، تصبح مرشحات الفحم النشط فعالة بشكل ملحوظ عند إزالة مبيدات الآفات في المياه الجوفية مثل الأترازين والجلايفوسات. أما المناطق الأخرى فهي مجهزة بإجراءات أكثر للتصدي للتلوث الزراعي، مما يجعل الفحم النشط أكثر انتشارًا في هذه المناطق، في حين أن المناطق الأخرى أكثر كثافة سكانية وتكون مصادر مياهها أكثر عرضة للتلوث.

تقليل المعادن الثقيلة

على الرغم من أن استخدام الفحم المنشط يُعرف بشكل أساسي بقدرته على امتصاص المواد العضوية، إلا أن استخدامه في إزالة بعض المعادن الثقيلة من مياه الشرب، خصوصًا عند تعديله أو دمجه مع مواد أخرى، يُعد أيضًا ملحوظًا. يمكن للفحم المنشط البسيط أن يمتص الرصاص والنحاس وحتى الزئبق من خلال آليات تبادل الأيونات أو التعقيد على السطح، حيث تتفاعل أيونات المعادن مع مجموعات وظيفية نشطة على سطح الكربون. أما الفحم المنشط الذي يخضع لتعديلات كيميائية أكثر (على سبيل المثال، الفحم المنشط المعالج بمركبات كيميائية مثل الكبريت أو الحديد) فقد أظهر امتصاصًا أكثر سهولة للمعادن الثقيلة، وهو بالتالي أكثر كفاءة في الإزالة. ويُستخدم الفحم المنشط في مرشحات المياه المحمولة لمياه الملوثة بالرصاص مع مواد أخرى (على سبيل المثال، راتنجات تبادل الأيونات) لخفض تركيز الرصاص إلى حدود مقبولة وفقًا لما تحدده وكالة حماية البيئة.

تحسين الطعم والرائحة

بالإضافة إلى إزالة الملوثات الضارة، يُحسّن الفحم النشط جودة المياه الصالحة للشرب من خلال إزالة الطعم والرائحة الكريهة. يمكن أن تكون هذه المشاكل ناتجة عن مركبات مثل الجيوزمين (Geosmin) ومركب 2-ميثيل إيزوبرينول (MIB) التي تُسبّب رائحة أرضية وعفنة للمياه، حتى في الكميات القليلة جداً. حيث تمتص بنية المسام الكبيرة والمتوسطة في الفحم النشط المركبات ذات الرائحة السلبية وتُمسك بها، مما يؤدي إلى تحسين جودة الماء وجعله أكثر امتثالاً. تُعدّ هذه الخاصية عنصراً جذباً لكل من مزوّدي مياه البلديات ومصنّعي مرشحات المياه المنزلية، لأن الطعم والرائحة هما العاملان الرئيسيان اللذان يحدّدان قبول المياه من قبل المستهلكين. وبالتالي، يتم تقليل كمية المياه المرفوضة وبالتالي الاعتماد الأقل على المياه المعبأة، مما يقلل من التداعيات البيئية لتلك المياه.

التوافق مع طرق التنقية الأخرى

يُحسّن الفحم المُنشَّط أداء التقنيات الأخرى المستخدمة في تنقية المياه. ويتم استخدامه بشكل واسع في محطات المعالجة البلدية بعد عمليات التخثير والتفlocs والتثفيل لإزالة الملوثات العضوية والكلور قبل توزيع المياه. وفي أنظمة التناضح العكسي (RO) المنزلية، تُستخدم مرشحات الفحم المنشط قبل وبعد أغشية التناضح العكسي. تزيل المرشحات الأولية الكلور الذي يضر بالأغشية، مع إزالة المواد العضوية، بينما تزيل المرشحات اللاحقة بعض الملوثات لتحسين طعم مياه التناضح العكسي. تُكمل أنظمة التعقيم بالأشعة فوق البنفسجيةية الفحم المنشط لأنه يزيل المكونات العضوية التي تحمي الكائنات الدقيقة من الأشعة فوق البنفسجية المستخدمة في التعقيم. إن هذه المرونة تمنح الفحم المنشط القدرة على تحسين فعالية أنظمة التنقية متعددة المراحل.

التطبيقات في بيئات التنقية المختلفة

إن استخدامات الفحم النشط في أنظمة تنقية مياه الشرب عديدة، وكل بيئة تستخدم مزاياه في الترشيح، مثل إزالة الحديد. في أنظمة الترشيح البلدية، يوضع فحم نشط حبيبي مُسخّن في مرشّحات كبيرة تركز على إزالة الكلور والملوثات العضوية الأخرى في أنظمة GAC، معالجة ملايين الجالونات يوميًا. في الأنظمة المنزلية، يستخدم الفحم النشط المسحوق في مرشّحات الحنفية ومرشّحات الإبريق وأنظمة تحت الحوض، مُعوّضًا عن عيوب GAC ومتقّدمًا بوسيلة ملائمة للترشيح عند نقطة الاستخدام. كما أن المرشّحات المحمولة من الفحم النشط، مثل زجاجات المياه، مفيدة في السفر والأنشطة الخارجية. فهي تزيل الملوثات الموجودة في المياه التي تكون غير صالحة للشرب. بالإضافة إلى ذلك، تُعد أقراص الفحم النشط والأكياس من أشكال الترشيح السهلة والملائمة للاستخدام في المواقف الطارئة التي لا تكون فيها مياه الشرب الآمنة متاحة.

الفعالية على المدى الطويل والصيانة

لكي تقوم الفحم النشط بتحسين نتائج التنقية، فإن الصيانة المناسبة أمر بالغ الأهمية. تقل قدرة الامتصاص عندما تمتلئ مسام الفحم بالملوثات. ويعتمد أداء مرشحات الفحم النشط على جودة المياه ومعدل التدفق وتركيز الملوثات؛ وعادةً ما تحتاج مرشحات الصنبور المنزلية إلى الاستبدال كل شهرين إلى ستة أشهر، في حين يمكن أن تستمر مرشحات الفحم النشط الكبير (GAC) المستخدمة في محطات التنقية البلدية لسنوات قبل أن تحتاج إلى التجديد أو الاستبدال. أنظمة GAC القابلة لإعادة الشحن، والتي تتميز بأنها أكثر فعالية من حيث التكلفة وصديقة للبيئة، تستخدم فحماً كثيفاً تسخّن درجات حرارته إلى مستويات عالية جداً لتحرير المسام من الملوثات التي تحتفظ بها. وتساعد الصيانة المجدولة في زيادة فعالية مرشحات الفحم النشط، مما ينتج عنه مياه شرب عالية الجودة.