مياه أنظف

باحثون في كلية الهندسة الميكانيكية يعرضون نظاماً محسناً لتحلية المياه واستخلاص المياه للأغراض الزراعية

طور باحثون في كلية الهندسة الميكانيكية في التخنيون وزملاؤهم في هولندا طريقة مبتكرة لتنقية المياه من الملوثات. وبينوا أن عكس ترتيب الأقطاب الكهربائية في العملية يؤدي إلى تحسن كبير في تنقية المياه. البحث الذي نشر في PNAS، وهي مجلة الأكاديمية الأمريكية للعلوم، بقيادة باحثي التخنيون البروفيسور ماتي ساس وطالبي الدكتوراه أميت شوكرون وإريك جيس مع الدكتور جاكا ديكسترا من جامعة فاجينينجن في هولندا.

تعد تنقية المياه للأغراض الزراعية تحديًا تكنولوجيًا معقدًا له أهمية خاصة في إسرائيل، حيث يتم استخدام معظم مياه الصرف الصحي للأغراض الزراعية وتعتمد معظم المحاصيل الزراعية في النقب على هذه المياه. يؤدي ري الحقول والبساتين بالمياه عالية الملوحة إلى أضرار زراعية مختلفة، منها تلف الأوراق، وتشكل شقوق في الحقل، وفي الحالات الشديدة تدمير الأرض وتعطيلها كأراضي زراعية.

بسبب النقص المتزايد في المياه، تم إنشاء محطات تحلية المياه في إسرائيل في العقود الأخيرة، والتي توفر لنا حاليًا جزءًا كبيرًا من مياه الشرب لدينا. ومع ذلك، فإن تحلية مياه البحر وتنقية مياه الشرب والزراعة تمثل تحديات تكنولوجية معقدة، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أننا في هذه العمليات لا نسعى فقط إلى إزالة السموم من المياه ولكن أيضًا للحفاظ على المواد الأساسية لصحتنا وصحة المجتمع. المحاصيل الزراعية.

أحد المكونات الرئيسية لعملية تحلية المياه القياسية هو الغشاء، وهو مرشح متطور يزيل بعض تلك السموم. في هذه العملية، يتم نقل الماء تحت الضغط عبر الغشاء ويتم حجب بعض الجزيئات وفقًا لحجمها أو شحناتها الكهربائية. ومع ذلك، فإن الغشاء جزء مكلف للشراء والتركيب والصيانة، ويجب استبداله أو معالجته بشكل متكرر - مما يستلزم إيقاف عملية تحلية المياه. علاوة على ذلك، فإن الغشاء "يفتقد" الجزيئات الصغيرة التي يفشل في حجبها.

يمثل البحث المنشور في PNAS طفرة في هذا المجال. ركزت الدراسة في البورون - مادة سامة من المهم إزالتها من مياه الشرب. يوجد البورون في مساحيق الغسيل وغيرها من مواد التنظيف، وعندما يتغلغل في الأراضي الزراعية فإنه يضرها ويضرنا لاحقاً نحن مستهلكي المياه والمحاصيل. ما يميز البورون هو أنه لا يتم التخلص منه بكمية كافية في خطوة التحلية القياسية، والتي تتم في بيئة ذات حموضة محايدة (الرقم الهيدروجيني = 7). لإزالته، يلزم إجراء جولة إضافية لتحلية المياه، والتي يتم إجراؤها عند درجة حموضة عالية (حوالي درجة الحموضة = 10).

يعتمد النظام الذي أنشأه باحثو التخنيون على أقطاب كهربائية بسيطة ورخيصة ومفهوم CDI - المعالجة بدون غشاء. يعتمد هذا المفهوم على عملية دورية لشحن وتفريغ الأقطاب الكهربائية (الأنود والكاثود)؛ أثناء مرحلة الشحن، تلتصق الأيونات بالقطب وبالتالي يتم إزالتها من الماء، وأثناء مرحلة التفريغ يتم إطلاقها في مجرى مياه الصرف الصحي - التيار المالح غير المخصص للري والشرب. 

تقليديًا، في أنظمة CDI لإزالة البورون، يتم تدفق الماء عبر الكاثود إلى الأنود؛ النظام الذي طوره الباحثون يعكس هذا الترتيب: أولاً يمر الماء عبر الأنود وبعد ذلك فقط عبر الكاثود، وبالتالي خلق ديناميكية أكثر كفاءة للحموضة وإزالة أكثر كفاءة للبورون. علاوة على ذلك، أظهر الباحثون أن زيادة الجهد الكهربائي لا يؤدي بالضرورة إلى تحسين كفاءة النظام، بمعنى آخر - هناك جهد أمثل يمكن حسابه. 

وأظهر الباحثون أنه على الرغم من تطوير النموذج الجديد كمفهوم نظري، إلا أنه يحقق بالفعل التنقية المذكورة في إطار تجريبي، ويقدرون أن هذا المفهوم سيكون فعالا أيضا في المنشآت التجارية التي سيتم بناؤها على أساسه. ويؤكدون أنه على الرغم من أن الأبحاث قد أجريت على البورون، إلا أنها ذات صلة بمجموعة واسعة من الملوثات والمواد القيمة المماثلة.

البروفيسور ماثيو ساس وهو عضو هيئة التدريس في كلية ولفسون للهندسة الميكانيكية والهندسة الكيميائية وعضو في برنامج الطاقة الكبير.

للمقال في المجلة PNAS انقر هنا