إن ترشيح ومعالجة المياه، سواء للاستهلاك البشري أو لتنقية مياه الصرف الصناعي، يمثلان حوالي 13% من إجمالي استهلاك الكهرباء في الولايات المتحدة كل عام، ويطلق نحو 290 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي سنويًا، أي ما يعادل تقريبًا وزن كل إنسان على الأرض.
إحدى الطرق الأكثر شيوعًا لمعالجة المياه هي تمريرها عبر غشاء ذو مسام لتصفية الجزيئات الأكبر من جزيئات الماء. ومع ذلك، فإن هذه الأغشية يُمكن أن تتلوث أو تنسد من خلال المواد ذاتها التي صُنِعت منها، مما يتطلب المزيد من الكهرباء لإجبار المياه على المرور من خلال الأغشية المسدودة، وذلك يزيد من تكاليف معالجة المياه.
أظهر بحث جديد من معهد Wyss للهندسة البيولوجية في جامعة هارفارد أن الأغشية ذات البوابات السائلة (LGMs) تقوم بتصفية الجسيمات النانوية من الماء بكفاءة مضاعفة. مع تخفيض الضغط اللازم للترشيح المُستخدم في الأغشية التقليدية، وتقديم حل يمكن أن يقلل من التكلفة واستهلاك الكهرباء في العمليات الصناعية الثقيلة مثل حفر النفط والغاز.
تحاكي LGMs استخدام الطبيعة للمسام الرطبة للتحكم في حركة السوائل والغازات والجسيمات من خلال المرشحات البيولوجية باستخدام أقل كمية ممكنة من الطاقة، مثل الكثير من المسام الصغيرة على أوراق النباتات التي تسمح للغازات بالمرور، يتم تغليف كل LGM بسائل يعمل كبوابة قابلة للانعكاس، عندما يتم الضغط على الغشاء، يتم سحب السائل داخل المسام إلى الجانبين، مما يؤدي إلى فتح مسام مبطنة بسائل يمكن ضبطها للسماح بمرور سوائل معينة أو غازات، ومقاومة التلوث بسبب سطح الطبقة السائلة الزلقة. ويمكن استخدام المسام المبطنة بالسائل في فصل مركب معين من خليط من مواد مختلفة، وهو أمر شائع في معالجة السائل الصناعي.
قام فريق البحث باختبار أجهزة LGM على محلول من طين البنتونايت (bentonite clay)، لأنها تُحاكي الجزيئات النانوية الموجودة في مياه الصرف الناتجة عن أنشطة الحفر في صناعة النفط والغاز، وقاموا بتجميع أقراص (25 مم) من غشاء ترشيح قياسي مع مادة مشبعة بالفلور (perfluoropolyether) وهو نوع من زيوت التشحيم السائلة التي تم استخدامها في صناعة الفضاء لأكثر من 30 عامًا، لتحويلها إلى LGMs، ثم وضعوا الأغشية تحت الضغط لسحب المياه من خلال المسام ولكن تركوا جسيمات النانو في الخلف، وقارنوا أداء الأغشية غير المعالجة بأغشية LGM.
أظهرت الأغشية غير المعالجة ظهور بقع نانوية بسرعة أكبر بكثير من الـ LGMs، وتمكنت الأُخرى من تصفية المياه أطول بثلاث مرات من الأغشية القياسية قبل إجراء “الغسيل العكسي” لإزالة الجسيمات التي تراكمت على الغشاء. ويمكن أن يتسبب الغسيل العكسي الأقل تكرارًا في تقليل استخدام المواد الكيميائية النظيفة والطاقة اللازمة لضخ المياه، وتحسين معدل الترشيح في معالجة المياه الصناعية.
أظهرت هذه التجربة إنخفاضًا بنسبة 60% في كمية النانو التي تراكمت داخل تركيب أغشية LGM أثناء الترشيح، والذي يُعرف باسم “التلوث الغير منعكس” لأنه لا يتم إزالته عن طريق الغسيل العكسي. هذه الميزة تعطي LGMs عمرًا أطول، بالإضافة إلى ذلك، تطلبت أجهزة LGM ضغطًا أقل بنسبة 16% لبدء عملية الترشيح، مما يعني المزيد من توفير الطاقة.
هذه الأغشية يُمكن أن تُستخدم في صناعات متنوعة مثل معالجة الأغذية والمشروبات، وصناعة الأدوية الحيوية، والمنسوجات، والورق، والكيماويات، والبتروكيماويات، ويمكن أن تقدم تحسينات في استخدام الطاقة وكفاءتها عبر مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية.
كتابة: آية أحمد
مراجعة: ميار محسن
تصميم: أحمد سرور
تحرير: إسراء وصفي
