غشاء ثوري لتحلية المياه

طور باحثون من كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة كاليفورنيا، عائلة جديدة من أغشية التناضح العكسي لتحلية المياه قادرة على مقاومة الانسداد الذي يحدث عادة عند تنقية مياه البحر والمياه المالحة والمياه قليلة الملوحة.

وأوضح الباحثون أن الغشاء يتمتع بنفاذية عالية ويمكن تكييفه بسهولة مع أنظمة الإنتاج التجاري الحالية، ويمكن أن يساعد بشكل كبير في تقليل تكاليف تشغيل تحلية المياه. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Journal of Materials Chemistry.

في تحلية المياه باستخدام عملية التناضح العكسي (التناضح العكسي، RO) يتم استخدام الضغط العالي لإجبار المياه الملوثة على المرور عبر ثقوب صغيرة في الغشاء. وبينما تتمكن جزيئات الماء من المرور عبر الفوهات، فإن أيونات الأملاح المعدنية والبكتيريا والشوائب الجزيئية الأخرى لا تستطيع ذلك. مع مرور الوقت، تتراكم هذه الجزيئات الملوثة على سطح الغشاء ويؤدي هذا التراكم في النهاية إلى انسداد الفوهات وفقدان نشاط الغشاء. يؤدي تراكم الشوائب والانسداد اللاحق إلى زيادة استهلاك الطاقة من أنظمة الضخ، وتنظيفها باهظ الثمن واستبدال الغشاء بمرور الوقت. تسمح الكيمياء والتضاريس السطحية المبتكرة للغشاء التي تم تطويرها في جامعة كاليفورنيا بتجنب هذه الصعوبات.

وقالت نانسي إتش لين، المهندسة في الجامعة والمؤلفة الرئيسية للدراسة: "بالإضافة إلى نفاذية الماء العالية، يُظهر الغشاء الجديد أيضًا مقاومة عالية وثباتًا طويل الأمد". "لا يتطلب بناء سطح الغشاء وقتًا طويلاً أو درجة حرارة تفاعل عالية أو استخدام غرفة مفرغة. إن خاصية منع الحشف على السفن، والتي قد تطيل عمر الغشاء وتقلل من تكاليف التشغيل، هي أفضل من تلك الموجودة في الأغشية التجارية الموجودة."

تم تحضير الغشاء الجديد من خلال تركيب من ثلاث خطوات. في الخطوة الأولى، قام الباحثون بإعداد طبقة رقيقة من تركيبة غشاء البولياميد باستخدام طرق البلمرة التقليدية. وفي الخطوة التالية، سيقومون بتشغيل سطح البولياميد عن طريق تدفق البلازما (الغاز المتأين) عند الضغط الجوي لإنشاء مواقع نشطة على السطح. في الخطوة الأخيرة، تم استخدام هذه المواقع النشطة لبدء بلمرة الكسب غير المشروع بمحلول مونومر للحصول على طبقة بوليمر تشبه ألياف الفرشاة على سطح مادة البولي أميد. يتم إجراء هذه البلمرة لفترة زمنية ودرجة حرارة محددة للتحكم في سمك وبنية طبقة البوليمر.

يوضح الباحث يورام كوهين، أستاذ الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس وأحد مؤلفي المقال: "في السنوات السابقة، لم يكن من الممكن إجراء المعالجة السطحية بالبلازما إلا في غرفة مفرغة". "لم تكن هذه الطريقة عملية للتسويق على نطاق واسع لأنه لم يكن من الممكن تصنيع آلاف الأمتار من الأغشية في غرفة مفرغة. مثل هذه الطريقة مكلفة للغاية. لكن الآن، مع اكتشاف إمكانية استخدام البلازما عند الضغط الجوي، لم تعد هناك حاجة لبدء التفاعل كيميائيًا. الأمر بسيط مثل "مسح" السطح بالبلازما، ويمكنك القيام بذلك على أي سطح تقريبًا."

في هذا الغشاء المبتكر، تكون سلاسل البوليمر في حركة مستمرة. يتم تثبيت السلاسل كيميائيًا على السطح، وبالتالي فهي أكثر استقرارًا حرارياً، مقارنة بأسطح البوليمر المطلية فيزيائيًا. يساهم تدفق الماء أيضًا في حركة سلاسل "الفرشاة" ويجعل من الصعب جدًا على البكتيريا والمواد الغروية الأخرى أن تستقر على سطح الغشاء.

وقال الباحث كوهين: "إذا قمت بالغوص من قبل، فأنت تعلم أن الأعشاب البحرية تتحرك ذهابًا وإيابًا مع اتجاه تدفق المياه". "ثم تخيل هيكلنا المتغير في حركة مستمرة. تحتاج البروتينات أو البكتيريا إلى التثبيت في عدة نقاط على الغشاء حتى تلتصق به - وهي مهمة صعبة للغاية بسبب الحركة المستمرة لـ "شعيرات" البوليمر. تعمل سلاسل البوليمر على حماية وحماية سطح الغشاء تحتها."

هناك عامل آخر في منع الالتصاق وهو الشحن الكهربائي لسطح الغشاء. ويتمكن فريق البحث من اختيار كيمياء سلاسل البوليمر وبالتالي إنشاء شحنة كهربائية مرغوبة على السطح، بحيث يكون الغشاء قادرًا على صد الجسيمات ذات الشحنة المعاكسة. وفي الخطوات التالية، يخطط الباحثون لتوسيع تركيب الغشاء على نطاق أوسع، وجعل العملية مستمرة وتحسين أداء الغشاء المبتكر فيما يتعلق بمصادر المياه المختلفة.

وقال الباحث الرئيسي: "نحن مهتمون بالقدرة على تضييق نطاق وإنشاء نظام اختيار غشائي لمجموعة متنوعة من مصادر المياه ذات مستويات التلوث المختلفة". "مع هذه المعرفة، يمكن تحسين الخصائص السطحية للغشاء باستخدام طبقات بوليمرية متنوعة لمنع التلوث وانسداد الغشاء.

"وبالتالي فإن سعر التحلية سينخفض ​​بسبب انخفاض تكاليف المواد الكيميائية (المستخدمة لتنظيف فوهات الأغشية) وبسبب انخفاض تكاليف التشغيل (استبدال الأغشية كل فترة زمنية). وفي النهاية، يمكن أن تصبح تحلية المياه وسيلة أكثر اقتصادا وتكون بمثابة بديل مستدام لمصادر المياه الطبيعية.

ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Journal of Membrane Science.

الخبر من الجامعة