تحلية المياه قليلة الملوحة باستخدام الكربون المنشط – الحل لأزمة المياه؟

كيف يمكن لطريقة تم تطويرها في السبعينيات ووضعها على الرف لأسباب فنية مختلفة، أن تُسحب من الدرج وبعد أربعين عاماً يمكن أن تخفف من أزمة المياه الحالية *

نعلم جميعًا الكربون المنشط من مرشحات المياه المنزلية (مرشح بريتا، تامي 4، وما إلى ذلك). تطبيق آخر لها هو في أقنعة الغاز التي تم توزيعها في حرب الخليج ويتم الآن توزيعها مرة أخرى. اتضح أن الكربون المنشط يمكن استخدامه ليس فقط لتصفية الغازات أو المواد العضوية ولكن أيضًا للأملاح، وهذا إذا تم استخدام خاصية التوصيل الكهربائي الجيدة للفحم أيضًا بالإضافة إلى مساحة السطح الكبيرة.

حصل الدكتور يانيف بوهدانا مؤخراً على درجة الدكتوراه في مختبر البروفيسور دورون أورباخ في قسم الكيمياء في جامعة بار إيلان وبتوجيه مباشر من الدكتور أبراهام سوفير. طوّر هيلا هذه الطريقة لأول مرة في السبعينيات كجزء من أطروحته للدكتوراه في التخنيون. تم التخلي عن هذا العمل لأسباب فنية مختلفة. منذ حوالي ست سنوات، وفي ظل أزمة المياه المستمرة، تقرر إخراجها من الدرج، وكان بوهدانة هو من واصل البحث.

ركز الدكتور صوفر على الجانب النظري، وقام بتوجيه العديد من الطلاب في أطروحات الدكتوراه الخاصة بهم - أحدهم هو البروفيسور يورام أورين، رئيس قسم المياه والتربة حاليًا في معهد أبحاث الصحراء في جامعة بن غوريون. تمت دراسة الموضوع مرة أخرى في التسعينات في مختبر البروفيسور جوزيف فارمر من مختبرات لورانس ليفرمور الوطنية في الولايات المتحدة الأمريكية.

"أحد أسباب إهمال هذا المجال كان تكنولوجيًا. كان الفحم الذي استخدموه من نوع Carbon Airgel. وهو منتج تجاري يمكن أن تصل مساحة سطحه إلى مئات وآلاف الأمتار المربعة للجرام الواحد، إلا أن تصنيعه مكلف. في بحثنا، قررنا اختيار نوع آخر من الكربون - القماش الكربوني - الذي يتم إنتاجه من الأقمشة الاصطناعية. ولهذا السبب فإن قوتها الميكانيكية عالية وتتراوح مساحة سطحها من ألف إلى ألفي متر مربع لكل جرام من المادة، وبالطبع إنتاجها رخيص جدًا. وعلى عكس الإيروجيل، الذي تم بناؤه من كتل صلبة يتدفق الماء بجوارها، فإن القماش الكربوني يسمح بمرور الماء من خلاله. تعمل هذه الميزة على زيادة حركية العملية في امتزاز الملح وإطلاقه بأضعاف كبيرة لأن المحلول المتدفق يأتي في أقصى اتصال مع سطح سطح الفحم مع الاعتماد الأدنى على مقارنة التركيزات في الانتشار بين المحلول المتدفق والمحلول الثابت الحل على سطح الفحم.

"حتى قبل إجراء تجربة واحدة، أمضينا حوالي عامين في بناء النظام، مما سيسمح لنا بإجراء تجارب تلقائيًا لاختبار استقرار العملية وكفاءتها على المدى الطويل، وهو ما تفعله التجارب التي تستغرق يومًا أو يومين لا تسمح"، يلاحظ الدكتور بوهدانا.

وكما ذكرنا فإن الأملاح لا تمتزج بشكل طبيعي مع الفحم كما تفعل المواد العضوية مثلا، ولذلك لا بد من استثمار الطاقة الكهربائية.

"نضع الماء المالح في الغرفة (المعروفة باسم غرفة CDI). يتم تطبيق الجهد بين قطبين - أحدهما موجب والآخر سالب. تنجذب الأيونات الموجبة للملح إلى القطب السالب وتنجذب الأيونات السالبة إلى القطب الموجب. ويبقى الملح ملتصقا بالأقطاب الكهربائية ويخرج الماء المحلى من الخلية. في الخطوة التالية، يتم ملء الخلية مرة أخرى بالمياه المالحة، وهذه المرة يتم تقصير الأقطاب الكهربائية ويتم إطلاق كل الملح الملتصق بها في الماء ويجعله أكثر ملوحة - وهذا هو الماء العادم للعملية. وبالتالي من الممكن توجيه المياه المحلاة إلى أنبوب واحد والمياه المركزة إلى أنبوب آخر، وبالطبع نقل المياه المحلاة للاستخدام المنزلي أو الزراعي". "لقد اختبرنا جوانب مختلفة من العملية، وخاصة استقرار العملية مع مرور الوقت. إذا أردنا جعل العملية تجارية، يجب أن تستمر الأقطاب الكهربائية لآلاف الدورات دون الحاجة إلى استبدالها. المشكلة هي أن الفحم له خاصية أنه يتأكسد في وجود الماء تحت شحنة كهربائية. تمت دراسة هذه المشكلة في المشروع الحالي وتم اقتراح عدد من التقنيات الفعالة للتعامل معها حيث يشكل الجمع بين التقنيات الحل لمشكلة الاستقرار. بالإضافة إلى ذلك، قمنا بدراسة مسألة الطاقة والكفاءة الكهربائية، لأنه من الناحية العملية، لكل عشرة إلكترونات تمر بين الأقطاب الكهربائية، يتم امتصاص 5-7 جزيئات من الملح. نريد زيادة الكفاءة والحفاظ على هذه الزيادة مع مرور الوقت. لقد تمت دراسة موضوع الكفاءة وسيتم دراسته كثيراً لأن العوامل التي تؤثر على الكفاءة كثيرة ومتنوعة وتم اقتراح العديد من التقنيات من أجل تحسين الكفاءة بطريقة جيدة.

المجال الثالث الذي تم اختباره هو استبدال نظام التدفق التقليدي للتدفق المستمر في اتجاه موحد للتشغيل في اتجاهات التدفق المعاكسة مع تطبيق الجهد في اتجاه واحد فقط. يؤدي نظام التشغيل هذا إلى خلق سعة التركيز (الفرق في القيم من الذروة إلى الذروة) على طول الخلية، على غرار الواقع في عمود التقطير حيث يوجد في كل طبقة نسبة مختلفة بين المكونات المختلفة في عمود. وينطبق الشيء نفسه على غرفة CDI حيث ستحتوي كل طبقة على مياه ذات مستوى مختلف من الملوحة، وبالتالي من الممكن إزالة النفايات من جانب واحد فقط أو المياه المحلاة فقط من الجانب الآخر. هذا التحسن الهندسي، الذي تنبأ به البروفيسور أورين نظريًا بشكل أساسي، سيوفر الكثير من الطاقة ويسمح بمرونة كبيرة في قدرات تشغيل الخلية لمجموعة كبيرة من تركيزات التغذية وتركيزات المنتجات المختلفة. بمعنى آخر، سيكون من الممكن تحلية المياه على أي مستوى من الملوحة، وعلى أي مستوى تحلية نريده. وسيتم إجراء المزيد من الدراسات من أجل تحقيق هذه الطريقة، والتي تعتبر الأكثر فعالية من الناحية الهندسية.

وفي الختام، فإن البحث في مراحل متقدمة لنموذج أولي مختبري وسينتقل في السنوات القادمة إلى التنفيذ التجاري والجمع بين القوى مع الأطراف في صناعة المياه الدولية.

* نُشر المقال عام 2011 على الموقع الإخباري المشترك لجامعة بار إيلان وصحيفة هآرتس

ה