العلم > تحلية المياه، النسخة النانوية

تحلية المياه، النسخة النانوية

تنقية المياه مستقبلية؟ تعمل شركة إسرائيلية على تطوير طريقة جديدة لتحلية المياه، حيث تقوم الروبوتات النانوية بتنظيف مياه البحر من الأملاح المسببة للمشاكل؛ وذلك دون إزالة المواد المهمة لصحتنا منها

بقلم يوناتان شير – زاوية وكالة أنباء العلوم والبيئة

عندما تسمع كلمة "روبوت"، ما هو رأيك؟ ربما يتخيل معظمنا جسمًا معدنيًا لامعًا وقويًا يمكنه رفع السيارات أو ثني القضبان الفولاذية السميكة بسهولة مخيفة. لكن في السنوات الأخيرة، أصبح من الواضح لنا أن الروبوتات عبارة عن أجهزة متنوعة تمامًا: بعضها قوي وبعضها ذكي للغاية، وبعضها كبير جدًا، وبعضها صغير الحجم - بحجم ألف شعرة. ما الذي يمكن لمثل هذا الروبوت الصغير أن يفعله بالفعل؟ للالتصاق بالجزيئات الفردية و"تأرجحها" من أحد جوانب الخزان إلى الجانب الآخر لترسيب مياه الشرب.

ربما يبدو لك هذا المشهد وكأنه مأخوذ من أحد أفلام الخيال العلمي، لكنه في الواقع يحدث بالفعل هذه الأيام، في مملكة الروبوتات النانوية الشركة الإسرائيلية الناشئة NWPT - الشركة التي تطور طريقة غير عادية لتحلية المياه، تستخدم فيها روبوتات النانو التي تزيل الأملاح من المياه بطريقة لا تزيل المواد الضرورية لنا.

هل الملح مفيد للصحة؟

يعرف كل إسرائيلي تقريباً أننا جيدون في تحلية المياه: فبلدنا الصغير رائد في تقنيات وقدرات تحلية المياه، ويستخدم خمس منشآت منتشرة على طول البحر الأبيض المتوسط - والتي تنتج أكثر من 600 مليون متر مكعب من المياه المحلاة، والتي تشكل حوالي 75 بالمائة من استهلاكنا لمياه الشرب.

ومع هذه المعطيات ربما تسأل نفسك: ما العيب في طريقة صلاة الماء اليوم؟ فتبين أن الطريقة المستخدمة في هذه المصانع، التناضح العكسي (RO) - الذي يستخدم نظام أغشية الترشيح ومضخات الضغط العالي التي تدفع المياه من خلالها لإزالة ما يقرب من 100 بالمائة من الأملاح من الماء - يمثل مشكلة لعدة أسباب رئيسية.

أولاً، يتطلب نظام المضخة المعني الكثير من الطاقة لتشغيله: كمية الكهرباء الذي يتم استهلاكه حاليًا في عمليات تحلية المياه لدينا يبلغ حوالي 3.5 كيلووات/ساعة لكل متر مكعب من الماء. ولتوضيح ذلك، في عام 2015، تم استخدام حوالي 4% من إجمالي الكهرباء المنتجة في إسرائيل لأغراض تحلية المياه. وبما أن هذه الكهرباء تأتي بشكل رئيسي من حرق الوقود الأحفوري (الغاز الطبيعي)، فإن الثمن البيئي الذي ندفعه مقابل عمليات تحلية المياه هذه باهظ للغاية.

العيب الثاني للطريقة الحالية يكمن بالتحديد في نجاحها الكبير. ماذا تقصد؟ ويتفوق التناضح العكسي في الهاخيدينج في كل ما يتعلق بإزالة الأملاح. لكننا لسنا بحاجة إلى هذا الحد الأقصى من التميز، لأن بعض هذه الأملاح مهمة بالفعل بالنسبة لنا. نعم، الملح ليس فقط التوابل البيضاء التي نرشها بسخاء عندما نقع في الحب: في الكيمياء لقب "الملح" ويمكن إعطاؤه لأي مادة تتكون من أيونات ذات شحنة كهربائية موجبة، والتي ترتبط بأيونات ذات شحنة كهربائية سالبة - لذا فإن الأملاح الموجودة في مياه البحر تشمل أيضًا مواد مثل الكلور والكبريتات والمغنيسيوم، وبعضها ضروري من أجل صحتنا.

في الواقع، في العقد الماضي تطورت تدريجيا الوعي في البحث الأضرار الصحية لاستهلاك المياه المحلاة هي خلوها تماما من المغنيسيوم. أشارت دراسات مختلفة إلى أن نقص المغنيسيوم قد يسبب أعراض التعب ونقص الشهية والغثيان والقيء، وفي الحالات الشديدة يؤدي إلى تقلصات العضلات، ويؤدي إلى اضطرابات في المزاج والتركيز. وزيادة خطر الإصابة بأمراض القلب, لمرض السكري وربما سرطان القولون أيضًا.

محاربة الجزيئات مع الجزيئات

يقول يارون فيرتزر، المؤسس المشارك لشركة NWPT الناشئة، إن الدافع وراء إنشائها كان مقالًا في وسائل الإعلام حول الأضرار الصحية التي تسببها المياه المحلاة في إسرائيل. ولذلك، كانت الفكرة الأولية للشركة هي إيجاد طريقة لإزالة الملح الضار فقط من مياه البحر. يقول ويرزر: "لقد بحثت عن جميع أنواع الأبحاث حول هذا الموضوع، وفي النهاية توصلت إلى استنتاج مفاده أن الحل يجب أن يكون على المستوى الجزيئي لتقنية النانو". كلنا نعرف ما هي "التكنولوجيا"، ولكن ما هو "النانو"؟ النانومتر الواحد يساوي واحد على مليار من المتر – حجم جزيء واحد؛ وللمقارنة فإن عرض شعرة الإنسان هو 100-80 ألف نانومتر. وهذا يعني أن تكنولوجيا النانو تتضمن تطورات على هذه المقاييس الصغيرة.

مزودًا بفكرة لروبوت نانو موجود داخل منشأة مخصصة تحتوي على مغناطيس كهربائي (مغناطيس يعمل من خلال تيار كهربائي) - ذهب Wirzer للبحث عن شركاء للمشروع، الذين يعرفون كيفية خلق الواقع من الخيال. بعد العديد من الاجتماعات مع العديد من الخبراء الذين زعموا أن فكرته كانت معادلة للخيال العلمي - وصل ويرزر إلى الدكتور فلاديمير كوجان، الذي، على الرغم من أنه قام بتغيير التصميم الأصلي للتطوير، لكنه تمكن أيضًا من إنشاء الروبوت النانوي الذي طال انتظاره بحجم حوالي 80 نانومتر. يشتمل الهيكل النهائي، الذي أصدرت الشركة براءة اختراع عليه، على وحدة التقاط تشبه الطوق وتعرف كيفية التقاط جزيئات الصوديوم، التي تتحد مع الكلور يشكل حوالي 90 في المئة من البحارة في مياه البحر؛ أعني أن هذا نوع من الملح الذي يجب أن نعرف حقًا كيفية إخراجه من الماء بأقصى قدر من الكفاءة.

وكانت الفكرة الأولية للشركة هي إيجاد طريقة لإزالة الملح الضار من مياه البحر فقط. مرفق التصوير NWPT: NWPT

وفقًا لفيرزر، على الرغم من وجود روبوتات نانوية مماثلة بالفعل في العالم تعرف كيفية التقاط جزيئات الصوديوم الفردية - إلا أنه هنا تطور يحتوي على عنصر فريد: الآلية التي تسمح للروبوتات النانوية بإطلاق (و"إخراج") العناصر المختلفة. المواد التي يلتقطونها، والتي تستخدم الإضاءة فوق البنفسجية. ويقول: "بعد سنوات من التجربة والخطأ، نجحنا في يوليو 2020 لأول مرة في إنشاء روبوت نانو يلتقط الصوديوم ويطلقه أيضًا". "عندما تسلط الضوء فوق البنفسجي عليه، فإنه يطلق الصوديوم، وعندما تتوقف عن السطوع، فإنه يلتقطه." العملية سريعة جدًا (في حدود ثوانٍ)، ويمكن أيضًا أن تعمل إلى الأبد، دون انخفاض في الكفاءة.

وبالإضافة إلى الميزة الصحية المتمثلة في ترك المغنيسيوم في المياه المحلاة، يقول فيرتزر أن طريقة تحلية المياه التي تعتمدها الشركة ستكون قادرة في المستقبل على توفير الطاقة ومنع التلوث: وبحسب قوله، فإن الطريقة قد توفر حوالي 90 بالمائة من الطاقة المطلوبة حاليًا. لتشغيل مضخات طريقة التناضح العكسي، ومنع تلوث البحر الناتج عن استخدام المواد الكيميائية التي تنظف الأغشية (بالطريقة الحالية) والتلوث الناتج عن التخلص من المرشحات الغشائية (التي يبلغ عمرها الافتراضي قصير نسبيا). بالإضافة إلى ذلك، وفقًا لفيرزر، فإن الطريقة المعنية قد تقلل بشكل كبير من نفقات القوى العاملة للصيانة - وتؤدي في النهاية إلى توفير حوالي 80 بالمائة من تكاليف تحلية المياه.

علاوة على ذلك، في حين أن كفاءة طريقة التناضح العكسي تصل إلى 50 بالمائة (الـ 50 بالمائة الأخرى عبارة عن ماء مالح - الماء الذي تتركز فيه جميع الأملاح التي تتم إزالتها في العملية) - يدعي ويرزر أنه باستخدام الطريقة الجديدة من الممكن تحقيق كفاءة تبلغ نحو 80 بالمئة في إنتاج المياه المحلاة من ضخ مياه البحر.

السلام عليكم كم سعر الكيلو النانوروبوت؟

العنصر الأخير في روبوت النانو، والذي، كما ذكرنا سابقًا، يبلغ حجمه الإجمالي حوالي جزء من الألف من الشعرة، هو جسيم نانوي مغناطيسي - وهو نوع من المغناطيس الصغير الذي يسمح لك بالتحكم في موضع الروبوتات الصغيرة و تركيزهم في نقطة واحدة. لفهم أهمية هذا الجزء، لا بد من فحص النموذج الأولي لآلية محطة تحلية المياه التي بنتها الشركة في المختبر.

مخطط النظام. رسم توضيحي لران ليفي RNLV-Design

وهي في هذه المرحلة عبارة عن حاوية تحتوي على 30 جرامًا من الروبوتات النانوية، يُحقن فيها 2 لتر من الماء المالح (بتركيز صوديوم منخفض)؛ ومن خلال خلطها في الحاوية، تصل الروبوتات النانوية إلى جزيئات الصوديوم بسرعة. بعد ذلك، يؤدي تنشيط المغناطيس الموجود في الجزء السفلي من الخزان إلى تركيز جميع الروبوتات النانوية (مع الصوديوم الذي تم التقاطه) في الجزء السفلي، بحيث يبقى الماء ذو تركيز الملح المنخفض في الجزء العلوي - الماء الذي يتم ضخه، وفي المستقبل (عندما تخرج التجربة من المختبر) من المفترض أن تصبح مياهًا عذبة. بعد هذا الضخ، يسلط الضوء فوق البنفسجي على الروبوتات النانوية، ويطلق الصوديوم الذي التقطته - في الماء الذي يبقى في قاع الخزان. في الخطوة الأخيرة، يتم ضخ المياه المالحة من قاع الخزان، ويطلق المغناطيس الروبوتات النانوية مرة أخرى - ويمكن أن تبدأ العملية، التي تستغرق بضع دقائق فقط، مرة أخرى.

وفي عرض توضيحي في المختبر، تمكنت الشركة من خفض حوالي 10 بالمائة من التوصيل الكهربائي (طريقة لقياس كمية الأملاح في الماء) لـ 2 لتر من الماء المالح - وهو رقم يثبت، بحسب الشركة. أن الروبوتات النانوية نجحت في مهمتها. ووفقا لهم، فإن ما يحد من قدرة هذه الطريقة على تحلية المياه هو كمية الروبوتات النانوية التي استخدموها. ووفقا لهم، فإن النموذج الأولي يتكون من 30 جراما فقط من الروبوتات النانوية لأن هذه هي الكمية التي تمكنوا من إنتاجها حتى الآن، بسبب تكلفة عملية التصنيع وطول الوقت الذي تتطلبه.

روبوتات صغيرة، فوائد كبيرة؟

إذن، خيال علمي أم ليس خيالًا علميًا؟ يقول الدكتور عدي ليفي، رئيس برنامج درجة الماجستير في الاستدامة الحضرية والريفية في كلية أهفا الأكاديمية وعضو في كلية أهفا الأكاديمية: "بعد أن تبني الشركة مشروعًا تجريبيًا أكبر باستخدام مياه البحر، سيكون من الممكن اختبار فعالية التطوير". من اللجنة التنفيذية ل الجمعية الإسرائيلية للإيكولوجيا وعلوم البيئة. "هناك العديد من الأسئلة التي لا يمكن الإجابة عليها إلا عندما يتم نقل هذه المنشأة من المختبر إلى الميدان." على سبيل المثال، وفقا له، الاختبارات التي ينبغي إجراؤها فيما يتعلق بتكلفة إنتاج الروبوتات النانوية وتكلفة تشغيل النظام.

بالإضافة إلى ذلك، في العرض التوضيحي الذي أجرته الشركة، قامت الروبوتات النانوية بإزالة الصوديوم فقط (وليس الأملاح الأخرى) - لذلك، وفقًا لليفي، من الضروري التحقق ومعرفة ما إذا كانت العملية المعنية تعمل على جميع الأملاح بطريقة سوف يترك بعض المغنسيوم في الماء - فالقلق على وجوده هناك هو ما أدى إلى ولادة التطور في المقام الأول. بالإضافة إلى ذلك، وعلى عكس طريقة التناضح العكسي، فإن النظام الجديد لا يعالج المواد الأخرى الموجودة في الماء، مثل البكتيريا والفيروسات والفطريات.

وفي الوقت نفسه، يوافق ليفي على أنه إذا كان النظام يعمل بكميات كبيرة من المياه، فإن التطوير قد يؤدي إلى توفير كبير في الطاقة والاقتصاد. ويوضح قائلاً: "إن أكبر مستهلكي الطاقة في تحلية المياه بالتناضح العكسي هي مضخات الضغط العالي - وهو جزء من عملية تحلية المياه الذي تم تصميم المشروع ليحل محله".

لكن، بحسب ليفي، فإن استبدال محطات التحلية الكبيرة والصناعية هو خطوة تتطلب التغلب على عقبات كثيرة ومتنوعة، وبالتالي فهو وضع قد يحدث فقط في المستقبل البعيد، هذا إذا حدث على الإطلاق. ولذلك يقترح النظر إلى الطريقة الجديدة كحل محتمل للمناطق النائية والفقيرة بالطاقة. ويقول: "قد يكون هذا النظام البسيط نسبيًا قادرًا على تقديم إجابة للعديد من الأشخاص الذين ما زالوا لا يستطيعون الحصول على مياه الشرب النظيفة والعذبة، ولكنهم محاطون بالمياه المالحة".

والحقيقة أن حلم فيرتزر لا يتوقف عند حدود إسرائيل. "في نهاية المطاف، هدف الشركة هو إنتاج العديد من وحدات النظام على طول سواحل العالم، وكذلك في أماكن مثل المغرب والإمارات العربية المتحدة والمملكة العربية السعودية - وطموحنا هو أنه بهذه الطريقة سيكون من الممكن تحويل الصحاري إلى مساحات خضراء"، على حد تعبيره. "نحن في هذه الأيام بصدد جمع الأموال حتى نتمكن من إنتاج كمية كبيرة من الروبوتات النانوية، وتطوير نموذج أولي يعرف كيفية ترسيب مكعب من الماء، وكذلك روبوتات نانوية إضافية تعرف كيفية التقاط الأملاح الأخرى مثل البورون والمغنيسيوم والكالسيوم "، ويختتم.

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم: