تعتبر المادة المرتشحة من مدافن النفايات، التي تتميز بتركيبتها المعقدة وتركيزاتها العالية من الملوثات، واحدة من أكثر أنواع مياه الصرف الصحي صعوبة في المعالجة. في السنوات الأخيرة، تم تطبيق تقنيات الفصل الغشائي بشكل متزايد في المعالجة المتقدمة للسوائل المرتشحة. من بينها، أظهرت أغشية الترشيح النانوي (NF) أداءً رائعًا بسبب رفضها العالي للمركبات العضوية والأملاح ثنائية التكافؤ أو متعددة التكافؤ. ومع ذلك، يظل تلوث الأغشية والانسداد يمثلان تحديًا كبيرًا للتشغيل المستقر على المدى الطويل-. لا يؤدي التلوث إلى تقليل تدفق الأغشية وزيادة الضغط التشغيلي فحسب، بل يزيد أيضًا من تكاليف الاستبدال واستهلاك الطاقة، مما يؤثر بشكل مباشر على الجدوى الاقتصادية والاستدامة. ركزت الدراسات التقليدية في الغالب على المعلمات التشغيلية العيانية مثل الضغط ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة، في حين أن الفهم على المستوى الجزئي -للعلاقة بين الهياكل الجزيئية العضوية وسلوك التلوث يظل محدودًا. ولمعالجة هذه المشكلة، قدم الباحثون المعلمات الكيميائية الكمومية ونماذج العلاقة الكمية بين البنية والنشاط (QSAR) لاستكشاف آليات التلوث على المستوى الجزيئي، مما يوفر طرقًا جديدة للتنبؤ والتحكم في تلوث الأغشية.
ومن حيث المنهجية، ركزت الدراسة على أغشية NF8040 المهملة من محطة معالجة المادة المرتشحة في شنغهاي. أكد تحليل برنامج المقارنات الدولية (ICP) أن التلوث كان سببه في المقام الأول ترسب أيونات Ca²⁺ وFe³⁺. تم إجراء تجارب الامتزاز والتخثر باستخدام 15 صبغة عضوية نموذجية كملوثات نموذجية في أنظمة CaCl₂ وFeCl₃ لتحديد كفاءة الإزالة. أشارت النتائج إلى أن نظام FeCl₃ أظهر كفاءة إزالة عضوية أعلى بكثير من نظام CaCl₂ (متوسط الإزالة: 45.94% مقابل 5.50%)، مع وجود اختلافات ملحوظة بين الجزيئات الفردية، مما يشير إلى أن تأثير التركيب العضوي على القاذورات يختلف اعتمادًا على خلفية الأيونات غير العضوية. تم إجراء حسابات كيميائية كمية لـ 45 معلمة جزيئية، بما في ذلك الطاقة الجزيئية والشحنات المحلية وطاقات HOMO/LUMO، وتم إنشاء نماذج QSAR باستخدام الانحدار التدريجي لتوضيح تأثير التركيب الجزيئي على كفاءة الإزالة ومساهمة التلوث. تم التحقق من صحة النماذج من خلال التحقق الداخلي-والتحقق الخارجي واختبارات التوزيع العشوائي-، مما يدل على استقرار جيد وقدرة تنبؤية. على وجه التحديد، في نظام CaCl₂، تم تحديد ELUMO (أدنى طاقة مدارية جزيئية غير مشغولة) باعتباره العامل الرئيسي الذي يؤثر على كفاءة الإزالة العضوية، بينما في نظام FeCl₃، كان EB3LYP (إجمالي الطاقة الجزيئية، الذي يعكس الحجم الجزيئي) هو العامل المهيمن. تم اكتشاف إجمالي 219 مركبًا عضويًا في المادة المرتشحة، بدءًا من الجزيئات الصغيرة (على سبيل المثال، 1,4- ثنائي إيثيل-2-بيبيرازينون) إلى المجمعات العضوية-غير العضوية الكبيرة (على سبيل المثال، رباعي الكوساميثيل-سيكلودوديكاسيلوكسان). وُجد أن هذه الجزيئات أكثر عرضة للترسيب والانسداد عند التفاعل مع Ca²⁺، مما يؤثر بشكل كبير على تدفق الغشاء وعمر الخدمة.
بناءً على هذه النتائج، يمكن لنماذج QSAR التنبؤ بسلوك الملوثات العضوية المختلفة في ظل ظروف التلوث، مما يوفر أداة لتقييم عمر الغشاء وتحويل النهج من "التنظيف بعد التلوث" التفاعلي إلى "الوقاية التنبؤية" الاستباقية. من خلال تحديد السمات الجزيئية المعرضة للتفاعل مع Ca²⁺ وFe³⁺، يمكن استهداف تصميم الغشاء المستقبلي من خلال وظائف السطح، أو الطلاءات المحبة للماء، أو تعديلات -مضادة للقاذورات. بالإضافة إلى ذلك، دمج استراتيجيات المعالجة المسبقة للتخثر أو الامتصاص يمكن أن يقلل من دخول المركبات العضوية عالية الخطورة-إلى نظام الغشاء، مما يخفف من التلوث عند المصدر. يمكن أن يؤدي الجمع الإضافي بين المعلمات الكيميائية الكمومية وبيانات الاستشعار عبر الإنترنت إلى تمكين تطوير أنظمة تنبؤية ديناميكية، وتسهيل التشغيل الذكي والتكيفي لأغشية NF وتعزيز الإدارة الدقيقة والمنخفضة للكربون -لأنظمة معالجة المادة المرتشحة.
باختصار، لا يتأثر تلوث غشاء الترشيح النانوي بالمعلمات التشغيلية التقليدية فحسب، بل يرتبط أيضًا ارتباطًا وثيقًا بالهياكل الجزيئية العضوية وأيونات التلوث الرئيسية مثل Ca²⁺ وFe³⁺. يوفر تكامل المعلمات الكيميائية الكمومية ونمذجة QSAR نظرة ثاقبة حول مساهمات الملوثات العضوية المعقدة في التلوث ويوفر أساسًا علميًا لتحسين المواد الغشائية والإدارة التشغيلية والتحكم الذكي. يفتح هذا النهج آفاقًا جديدة للمعالجة المستدامة والدقيقة للعصارة في مدافن النفايات.
