باحثون روس يستخلصون كرات مغناطيسية عالية الاستجابة من رماد الفحم
© AFP 2023 / ESO L. Calcada
تابعنا عبر
طوّر باحثون في سيبيريا طريقة لاستخلاص جزيئات مغناطيسية قيّمة من نفايات محطات الطاقة التي تعمل بالفحم، ما أدى إلى إنتاج مادة تفوق في استجابتها المغناطيسية الرماد الأصلي بأكثر من عشرة أضعاف، وقد يساهم هذا الاكتشاف في دعم تطورات مستقبلية في مجالات توصيل الأدوية، وأبحاث علاج السرطان، وإعادة تدوير النفايات بطريقة صديقة للبيئة.
تنتج محطات الطاقة التي تعمل بالفحم كميات هائلة من الرماد سنوياً، يتراكم معظمه في مواقع التخلص من النفايات، ما يطرح تحديات بيئية، لكن هذه النفايات الصناعية تخفي في طياتها جزيئات مجهرية ذات خصائص قد تجعلها ذات قيمة عالية للتقنيات المتقدمة، وربما حتى في المجال الطبي.
وقد نجح علماء في مركز كراسنويارسك العلمي التابع لأكاديمية العلوم الروسية في تطوير طريقة مُحسّنة لاستخلاص هذه الجزيئات، التي تُعرف باسم "الكرات الحديدية" (ferrospheres)، من رماد الفحم المتطاير، وتُظهر نتائج أبحاثهم، كيف يمكن تحويل أحد المخلفات الصناعية الوفيرة إلى مصدر مركّز للمواد المغناطيسية.
ما الذي يميّز هذه الجزيئات الدقيقة؟
الكرات الحديدية هي جزيئات مجهرية كروية الشكل تقريباً، تحتوي على معادن غنية بالحديد. تتكون هذه الكرات طبيعياً أثناء عملية احتراق الفحم في درجات حرارة عالية، وتبقى مختلطة مع مكونات أخرى في الرماد الناتج، وما يجعلها مثيرة للاهتمام بشكل خاص هو سلوكها المغناطيسي.
تخضع الجزيئات المغناطيسية حالياً للدراسة لاستخدامها في تطبيقات طبية حيوية متنوعة، تشمل التوصيل الموجه للأدوية، والمستشعرات الحيوية، و"المعالجة بالحرارة المغناطيسية" (magnetic hyperthermia)؛ وهي تقنية لعلاج السرطان تعتمد على استخدام مواد مغناطيسية لتوليد الحرارة تحت تأثير مجال مغناطيسي متناوب.
ومن الناحية النظرية، يمكن لهذه الحوامل المغناطيسية أن تساعد الباحثين في تطوير أنظمة قادرة على إيصال المواد العلاجية إلى مواقع محددة داخل الجسم، بينما يمكن للحرارة المتولدة مغناطيسياً أن تساهم في إتلاف الأنسجة الورمية.
ومع ذلك، فإن الحصول على جزيئات مغناطيسية مناسبة من رماد الفحم يمثل تحدياً؛ نظراً لصغر حجم هذه الجزيئات، وانخفاض تركيزها نسبياً، واختلاطها بالعديد من المواد غير المغناطيسية. لذا، يُعد فصل هذه الجزيئات بكفاءة خطوة جوهرية نحو استكشاف تطبيقاتها المحتملة.
طريقة أكثر كفاءة لاستخلاص المواد المغناطيسية
طوّر الباحثون في سيبيريا عملية فصل تتكون من مرحلتين، وتتميز بعدم الحاجة إلى استخدام السوائل. في البداية، يتم تصنيف الرماد المتطاير إلى أجزاء بناءً على حجم الجسيمات باستخدام "التصنيف الديناميكي الهوائي" (aerodynamic classification)؛ وهي تقنية تفصل الجسيمات وفقاً لسلوكها أثناء حركتها في الهواء.
تنتج عن هذه العملية عدة مجموعات يتراوح متوسط أقطار جسيماتها ما بين 3 و25 ميكرومتراً تقريباً. كما تساهم العملية في إزالة الجسيمات الدقيقة جداً التي قد تعيق عملية الفصل المغناطيسي. بعد ذلك، يستخدم الباحثون مغانط لعزل "الكرات الحديدية الدقيقة" (ferrospheres) الغنية بالحديد عن المواد المتبقية غير المغناطيسية.
وتحتوي الأجزاء المغناطيسية الناتجة على جسيمات يبلغ متوسط أقطارها ما بين 3 و8 ميكرومترات تقريباً، وكانت النتيجة الأكثر إثارة للإعجاب هي الزيادة الملحوظة في التركيز المغناطيسي؛ إذ أظهرت المواد المستخلصة قيماً لتشبع المغنطة تتراوح بين 23 و28 وحدة كهرومغناطيسية لكل غرام (emu/g)، مقارنة بـ 1.7 إلى 1.8 وحدة كهرومغناطيسية لكل غرام في أجزاء الرماد الأصلية.
وهذا يمثل زيادة تزيد عن عشرة أضعاف، ومن المهم الإشارة إلى أن هذه العملية لم تجعل الجسيمات الفردية أكثر مغناطيسية بطبيعتها، بل عملت على إزالة جزء كبير من المواد غير المغناطيسية، ما أدى إلى الحصول على خليط يتمتع باستجابة مغناطيسية أقوى بكثير لكل وحدة كتلة.
لماذا تُعد العملية الجافة مهمة؟
توفر هذه الطريقة مزايا عملية مقارنةً بطرق الفصل المغناطيسي الرطب التقليدية، ووفقاً لإيلينا فومينكو، الباحثة في معهد الكيمياء والتكنولوجيا الكيميائية، فإن تجنب استخدام السوائل يلغي الحاجة إلى خطوات إضافية مثل الترشيح والتجفيف، وهي عمليات تستهلك الطاقة وتتطلب معدات متخصصة.
وتكتسب هذه الميزة أهمية خاصة عند التعامل مع رماد الفحم الغني بالكالسيوم؛ إذ يمكن لمكوناته أن تتفاعل مع الماء وتتصلب لتشبه الأسمنت، ما قد يؤدي إلى تلف معدات المعالجة.
وقد توصلت الدراسة إلى أن الطريقة الجافة يمكن أن تحقق كفاءة استخلاص تضاهي تلك التي توفرها طرق الفصل المغناطيسي الرطب التقليدية. ومع ذلك، لم تُمثّل المواد المغناطيسية سوى 0.4% إلى 0.5% تقريباً من كتلة الرماد الأصلي في الأجزاء التي خضعت للدراسة. وهذا يسلط الضوء على أهمية الفصل الفعال، وفي الوقت ذاته يبرز التحدي المتمثل في استخلاص مكون نادر نسبياً من كميات ضخمة من النفايات.
