نُوقشت في معهد الليزر للدراسات العليا – جامعة بغداد أطروحة الدكتوراه المقدمة من الباحثة نبراس نزيه محمود، والموسومة:
Photoelectrochemical System Based on TiO₂/α-Fe₂O₃/GO Nanocomposite Photoanodes for Petroleum Refinery Wastewater Treatment
وذلك بإشراف المرحوم الدكتور محمد كريم ظاهر والدكتورة زينب فاضل الباوي، وقد حصلت الباحثة على تقدير امتياز.
هدفت الدراسة إلى تطوير نظام كهروكيميائي ضوئي (PEC) متقدم لمعالجة مياه الصرف الناتجة من المصافي النفطية، بالتزامن مع التقدير النظري لتوليد الهيدروجين، باستخدام أقطاب ضوئية نانوية قائمة على ثاني أكسيد التيتانيوم بطور الروتايل (rutile TiO₂)، وأكسيد الحديد ألفا (α-Fe₂O₃)، وأكسيد الغرافين (GO)، بهدف تعزيز كفاءة إزالة الملوثات العضوية وتحسين الأداء الكهروكيميائي الضوئي للنظام.
وتضمنت الدراسة تحضير ثلاثة أقطاب ضوئية، هي: rutile TiO₂، وrutile TiO₂/α-Fe₂O₃، وrutile TiO₂/α-Fe₂O₃/GO، على ركائز زجاجية من أكسيد القصدير المطعّم بالفلور (FTO)، باستخدام تقنية الصب بالتنقيط طبقةً تلو الأخرى. وتم تقييم أداء هذه الأقطاب باستخدام مياه صرف حقيقية جُمعت من مصفى الدورة في العراق. كما أُجريت مجموعة من الفحوصات التركيبية والمورفولوجية والبصرية والكهروكيميائية لتقييم خصائص الأقطاب المحضرة.
وأظهرت النتائج انخفاضًا تدريجيًا في طاقة فجوة الحزمة من 3.03 eV لـrutile TiO₂ إلى 2.70 eV لـrutile TiO₂/α-Fe₂O₃، وصولًا إلى 2.02 eV للقطب الضوئي الثلاثي rutile TiO₂/α-Fe₂O₃/GO، مما يشير إلى تحسن قدرته على الاستفادة من الضوء المرئي.
كما جرى تقييم أداء النظام تحت تأثير عدد من المتغيرات التشغيلية، شملت الأس الهيدروجيني، ودرجة الحرارة، وزمن التشعيع، وتحميل المحفز، والطول الموجي للضوء. وأظهرت النتائج أن ظروف التشغيل المثلى كانت عند pH 3، ودرجة حرارة 40 °C، وزمن تشعيع 50 دقيقة، وتحميل محفز مقداره 0.4 mg cm⁻².
وحقق القطب الضوئي الثلاثي rutile TiO₂/α-Fe₂O₃/GO أفضل أداء في معالجة مياه الصرف، إذ بلغت كفاءات إزالة المتطلب الكيميائي للأوكسجين (COD) 98.7%، والكربون العضوي الكلي (TOC) 97.3%، والفينول 96.0%. كما أظهرت قياسات الفولتامترية بالمسح الخطي (LSV) استجابة كهروكيميائية ضوئية مرتفعة، إذ بلغت كثافة التيار الضوئي 65.23 mA cm⁻².
وأظهرت الدراسة أن تحلل COD وTOC والفينول اتبع حركية شبه الرتبة الأولى، كما سجل النظام المحسّن استهلاكًا نوعيًا منخفضًا للطاقة بلغ نحو 0.91 kWh m⁻³. واستنادًا إلى البيانات الكهروكيميائية ومنهج الحساب النظري المعتمد في الدراسة، قُدّرت نظريًا أقصى كمية لتوليد الهيدروجين بنحو 8340.33 µmol L⁻¹.
وتكمن الجدة العلمية للدراسة في تطوير القطب الضوئي الثلاثي القائم على دمج الوصلة غير المتجانسة rutile TiO₂/α-Fe₂O₃ مع أكسيد الغرافين (GO). وقد أسهم التأثير التآزري بين مكونات القطب الضوئي في تحسين الاستفادة من الضوء المرئي، وتعزيز فصل الشحنات وانتقالها عبر السطوح البينية، وتقليل إعادة اتحاد الإلكترونات والفجوات، وتعزيز تفاعلات الأكسدة والاختزال السطحية، مما انعكس إيجابًا على الأداء الكهروكيميائي الضوئي وكفاءة معالجة الملوثات.
وتشير نتائج الدراسة إلى الإمكانات الواعدة للنظام الكهروكيميائي الضوئي المطوّر في معالجة مياه الصرف الصناعية الناتجة من المصافي النفطية، إلى جانب إظهار إمكانية نظرية لتوليد الهيدروجين بالتزامن مع عملية المعالجة، بما يدعم تطوير تقنيات أكثر كفاءة واستدامة لمعالجة الملوثات والاستفادة من الطاقة.
