يمكن لمحطات تحلية المياه أن تحل محل المواد الكيميائية الباهظة الثمن باستخدام أقطاب قماشية كربونية جديدة تعمل على إزالة البورون من مياه البحر، وهي خطوة مهمة لتحويل مياه البحر إلى مياه شرب آمنة.
وتم نشر دراسة تصف التكنولوجيا الجديدة في مجلة Nature Water بواسطة مهندسين من جامعة ميشيجان وجامعة رايس.
البورون هو أحد المكونات الطبيعية لمياه البحر، والذي يتحول إلى ملوث سام في مياه الشرب عندما يتسلل عبر المرشحات التقليدية لإزالة الأملاح.
وتبلغ مستويات البورون في مياه البحر ضعفي الحدود الأكثر تساهلاً التي حددتها منظمة الصحة العالمية لمياه الشرب الآمنة، وأعلى بخمسة إلى اثني عشر ضعفاً من قدرة العديد من النباتات الزراعية على التحمل .
قال جوفان كامسيف، أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية وعلوم وهندسة الجزيئات الكبرى بجامعة ميشيجان ومؤلف مشارك في الدراسة: “معظم أغشية التناضح العكسي لا تزيل الكثير من البورون، لذا فإن محطات تحلية المياه عادة ما تضطر إلى إجراء بعض المعالجة اللاحقة للتخلص من البورون، وهو ما قد يكون مكلفًا”، “لقد طورنا تقنية جديدة قابلة للتطوير إلى حد ما ويمكنها إزالة البورون بطريقة موفرة للطاقة مقارنة ببعض التقنيات التقليدية”.
في مياه البحر، يوجد البورون في صورة حمض البوريك المحايد كهربائيًا، لذا فهو يمر عبر أغشية التناضح العكسي التي تزيل الملح عادةً عن طريق صد الذرات والجزيئات المشحونة كهربائيًا والتي تسمى الأيونات.
خفض التكاليف 15 %
وللتغلب على هذه المشكلة، تضيف محطات تحلية المياه عادةً قاعدة إلى مياهها المعالجة، مما يتسبب في شحن حمض البوريك سلبًا، تعمل مرحلة أخرى من التناضح العكسي على إزالة البورون المشحون حديثًا، ويتم تحييد القاعدة بعد ذلك بإضافة حمض، قد تكون خطوات المعالجة الإضافية هذه مكلفة.
قال ويي بان، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة رايس والمؤلف المشارك في الدراسة: “يقلل جهازنا من المتطلبات الكيميائية والطاقة لتحلية مياه البحر، مما يعزز بشكل كبير الاستدامة البيئية ويخفض التكاليف بنسبة تصل إلى 15 %، أو حوالي 20 سنتًا لكل متر مكعب من المياه المعالجة”.
وبما أن إجمالي القدرة العالمية على تحلية المياه بلغ 95 مليون متر مكعب يوميا في عام 2019، فإن الأغشية الجديدة قد توفر نحو 6.9 مليار دولار سنويا، ومن الممكن أن توفر محطات تحلية المياه الكبيرة ــ مثل محطة تحلية كلود “باد” لويس كارلسباد في سان دييجو ــ ملايين الدولارات في عام واحد.
مثل هذه المدخرات من شأنها أن تساعد في جعل مياه البحر مصدراً أكثر سهولة للحصول على مياه الشرب وتخفيف أزمة المياه المتنامية.
ومن المتوقع أن تلبي إمدادات المياه العذبة 40% من الطلب بحلول عام 2030، وفقاً لتقرير صادر عن اللجنة العالمية للاقتصاد المائي في عام 2023.
كيف يعمل الجهاز الجديد؟
وتعمل الأقطاب الكهربائية الجديدة على إزالة البورون من خلال حبسه داخل مسام مليئة بهياكل تحتوي على الأكسجين.
وترتبط هذه الهياكل بالبورون على وجه التحديد بينما تسمح للأيونات الأخرى الموجودة في مياه البحر بالمرور، مما يزيد من كمية البورون التي يمكنها حبسها.
لكن الهياكل التي تلتقط البورون لا تزال بحاجة إلى أن يكون للبورون شحنة سالبة. فبدلاً من إضافة قاعدة، يتم إنشاء الشحنة عن طريق تقسيم الماء بين قطبين، مما يؤدي إلى إنشاء أيونات هيدروجين موجبة وأيونات هيدروكسيد سالبة.
ويرتبط الهيدروكسيد بالبورون، مما يمنحه شحنة سالبة تجعله يلتصق بمواقع الالتقاط داخل المسام في القطب الموجب.
كما أن التقاط البورون باستخدام الأقطاب الكهربائية يمكّن محطات المعالجة من تجنب إنفاق المزيد من الطاقة في مرحلة أخرى من التناضح العكسي. وبعد ذلك، تتحد أيونات الهيدروجين والهيدروكسيد لإنتاج مياه محايدة وخالية من البورون.
منصة متعددة الاستخدامات
قال مناحيم إيليمالك، أستاذ نانسي وكلينت كارلسون للهندسة المدنية والبيئية والهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية في جامعة رايس الأمريكية، والمؤلف المشارك في الدراسة: “تقدم دراستنا منصة متعددة الاستخدامات تستفيد من تغييرات الرقم الهيدروجيني التي يمكن أن تحول الملوثات الأخرى، مثل الزرنيخ، إلى أشكال قابلة للإزالة بسهولة”.
وبالإضافة إلى ذلك، يمكن تعديل المجموعات الوظيفية الموجودة على القطب الكهربائي لترتبط بشكل خاص بمواد ملوثة مختلفة، مما يسهل معالجة المياه بكفاءة من حيث الطاقة”، حسبما قال إيليمالك.
