يُستخلص ملح المغنيسيوم من مياه البحر في مدينة سيكيم، واشنطن باستخدام تقنية مبتكرة تعتمد على التدفق.

استعمل الناس الملح المستخرج من المحيطات، مثل ملح الطعام منذ عصور ما قبل التاريخ. ملح الطعام هو أسهل ما يمكن استخراجه من ماء البحر، لكن البحر يزخر بمعادن غنية أخرى يجد الباحثون في البحث عن ما يمكن استخراجه منها. المغنيسيوم هو أحد هذه المعادن الوافرة في البحر، وأصبح مفيدًا للناس على الأرض.

يتزايد استخدام المغنيسيوم في تطبيق الاستدامة، مثل تقنية التقاط الكربون، والأسمنت منخفض الكربون، وصناعة البطاريات المتوقع أن تستخدمها الأجيال القادمة. تجذب هذه الاستخدامات الاهتمام بالإنتاج المحلي للمغنيسيوم.  في الوقت الحالي، يستخدم المحلول الملحي شديد الملوحة من البحيرات الملحية، المعرضة للجفاف، في العمليات المستهلكة بشدة للطاقة في الولايات المتحدة لإنتاج المغنيسيوم. أدرجت وزارة الطاقة الأمريكية مؤخرًا المغنيسيوم في القائمة المسموح بها للمواد الحيوية للإنتاج المحلي.

اكتشف باحثون من مختبر باسيفيك نورث وست الوطني وجامعة واشنطن عملية سهلة لفصل ملح المغنيسيوم النقي عن ماء البحر، وهو مادة خام لمعدن المغنيسيوم. نُشرت مؤخرًا النتيجة التي توصل إليها الباحثون بتفصيل في ورقة بحثية في مجلة رسائل العلوم والتكنولوجيا البيئية ES&T Letters.

تقوم طريقتهم المبتكرة على تدفق محلولين بجانب بعضهما في مسار طويل، وعُرفت باسم تقنية التدفق الثنائي الصفيحي التي تعتمد على الحاجز الذي يتفاعل باستمرار نتيجة تدفق المحاليل. لا يحدث توازن كيميائي في النظام بسبب إدخال محاليل جديدة باستمرار.

وكأن هذه العملية تخادع العمليات القديمة. ففي منتصف القرن العشرين، نجحت شركات المواد الكيميائية بصنع المغنيسيوم الخام من ماء البحر بخلطه مع هيدروكسيد الصوديوم المعروف بالمحلول القلوي. يُعالج ملح هيدروكسيد المغنيسيوم الناتج عن تلك العملية ليصبح معدن المغنيسيوم، لذا يسمى حليب المغنيسيا المضاد للحموضة بهيدروكسيد المغنيسيوم. مع ذلك، ينتج من هذه العملية خليط معقد من المغنيسيوم وملح الكالسيوم الذي يصعب فصلهما، وبتكاليف باهظة. لكن هذه العملية التي ظهرت مؤخرًا تُنتج ملح مغنيسيوم صافٍ مما يتيح معالجة ذات كفاءة أكبر.

تقول الأستاذة تشينماي سابن: “يمضي الباحثون قدمًا عادةً في المجالات البحثية المتعلقة بعمليات الفصل، وهم بذلك يطورون مواد معقدة أكثر. هذه الطريقة مدهشة لإننا نتبع منهجًا مختلفًا تمامًا. لقد اكتشفنا عملية سهلة وناجحة، إن وُسِّعت ستُحدث نهضة في إنتاج المغنيسيوم في الولايات المتحدة بإنتاج مواد خام أساسية. نحن محاطين بمصدر أزرق هائل غير مستغل”.

من مياه سيكيم وحتى الملح الصلب

اختبرت سابن وفريقها عمليتهم الحديثة باستخدام مياه البحر في مقر مختبر باسيفيك نورث وست الوطني في سيكيم، واستطاع الباحثون الاستفادة من مرافق المختبر في ولاية واشنطن.

تقول سابن: “بصفتي عضوًا في فريق العلوم البحرية، ناديت أحد الأعضاء من فريق سيكيم للكيمياء وطلبت منه عينة من مياه البحر. وصلنا في اليوم التالي إلى مختبرنا في سياتل مبرد يحتوي على حزم باردة وقارورة مياه سيكيم مبردة”.

 يشكل هذا العمل التعاون الذي يحصل بين مقرات المختبر في ريتشلاند، وسياتل، وسيكيم.

باستخدام عملية التدفق الثنائي الصفيحي، جعل الباحثون مياه البحر ومحلولٍ من الهيدروكسيد يتدفقان بجانب بعضهما. فتفاعل ماء البحر الذي يحتوي على المغنيسيوم سريعًا وشكل طبقات من هيدروكسيد المغنيسيوم الصلب. وهذه الطبقات الرقيقة شكلت حاجزًا يمنع اختلاط المحلول.

قال باحث ما بعد الدكتوراه في المختبر، تشينبو وانج: “أنتجت عملية التدفق نتيجة مختلفة تمامًا عن خلط المحاليل السهل. في هذه العملية منع حاجز الهيدروكسيد المغنيسيوم الصلب الأولي تفاعل الكالسيوم مع الهيدروكسيد. نستطيع بطريقة انتقائية إنتاج هيدروكسيد المغنيسيوم الصلب الصافِ دون الحاجة إلى خطوات تنقية إضافية”.

الأسلوب الانتقائي هو نقطة القوة في هذه العملية. يسمح إنتاج هيدروكسيد المغنيسيوم الصافِ بدون أية شوائب من الكالسيوم للباحثين بتخطي خطوات تنقية مكلفة تستهلك المزيد من الطاقة.

الاستدامة من أجل المستقبل

هذه العملية اليسيرة ستكون مستدامة إلى حدٍ كبير. فعلى سبيل المثال، يُستخدم هيدروكسيد الصوديوم لاستخراج ملح المغنيسيوم الممكن إنتاجه في موقعه باستخدام مياه البحر، والطاقة البحرية المتجددة.  إن إزالة المغنيسيوم ضروري في مرحلة ما قبل المعالجة لتحلية مياه البحر. الجمع بين هذه العملية الجديدة والتقنيات الأخرى من شأنه أن يسهل ويخفض كلفة تحويل مياه البحر إلى مياه عذبة.

إن الفريق متحمس لمستقبل هذه العملية بالتحديد، وعملهم هو أول تجربة لطريقة التدفق الثنائي الصفيحي للفصل الانتقائي. ولهذه المنهجية الجديدة عدة تطبيقات إضافية محتملة، لكنها تحتاج إلى مزيدٍ من العمل لفهم الكيمياء التي تقوم عليها هذه العملية. تقدم الفجوة المعرفية العديد من الفرص والاتجاهات البحثية لتقوية الاقتصاد الأزرق.

يقول عالم المواد في المختبر إلياس ناكوزي: “نريد أن ننقل هذا العمل من التجريب إلى التنبؤ. توجد فرص رائعة لتطوير مفهوم أساسي عن كيفية عمل هذه العملية، بينما نطبقها على مشكلات مهمة مثل صناعة مواد طاقة جديدة، وإنجاح الفصل الانتقائي للأيونات التي يصعب فصلها لمعالجة المياه واستعادة الموارد”.

المصدر: https://scitechdaily.com

ترجمة: عبير العبيد

مراجعة وتدقيق: زينب محمد