ثلثي سطح الأرض مغمور بالأشياء ، لكن الماء – على وجه التحديد، النوع النظيف والصالح للشرب – لا يمكن لمليارات الناس الوصول إليه.
يستخدم نظام تنقية جديد طوره باحثون في معهد بيكمان للعلوم والتكنولوجيا المتقدمة، نسخة مكهربة من غسيل الكلى لفصل الملح والجزيئات الأخرى غير الضرورية عن المنتج الصالح للشرب.
تم تطبيق هذه الطريقة بنجاح على مياه الصرف الصحي مع التوسع المخطط له في الأنهار والبحار، وتوفر هذه الطريقة المال وتستنزف طاقة أقل بنسبة 90٪ من نظيراتها.
تم نشر الدراسة في ACS Energy Letters .
إذا كان تجريد الملح من الماء فقط بسيطًا مثل التلويح بمغناطيس عملاق فوق المحيط الهادئ أو غربلة السائل من خلال غربال فائق الدقة.
بمجرد أن يذوب المعدن الخبيث، تصبح عملية الفصل – التحلية المعمدة في الأوساط العلمية – أكثر تكلفة وتستهلك المزيد من الطاقة.
الشوائب والمواد العضوية
تزداد عملية تحلية المياه تعقيدًا بسبب الشوائب والمواد العضوية (البقع الصغيرة التي تجدها معلقة في مغرفة من مياه المحيط غير المفلترة)، والتي تؤدي إزالتها إلى زيادة الطاقة وميزانيات التكلفة.
قال شياو سو، من شركة بيكمان باحث وأستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية في جامعة إلينوي أوربانا شامبين، عادةً ما يتطلب الماء المملح ترشيحًا أو تبخرًا لفصل العناصر غير المرغوب فيها مثل الصوديوم والكلوريد والمواد العضوية والمتنقلة الذرية المتسلسلة، الحرارة، على سبيل المثال، تفعل هذه الحيلة بشكل جيد – أظهرت تجربة مطبخ بسيطة أن الماء المغلي المملح يتسبب في تبخر السائل ويبقى الملح كقشرة صلبة مالحة.
اتخذ سو وزملاؤه منهجًا مختلفًا: الغسيل الكهربي، تمامًا مثل غسيل الكلى، الذي يشبه الكلى، يطرد الملح والسموم الأخرى من عروقنا، يزيل الغسيل الكهربي الأملاح والمواد العضوية من مياه الصرف لإنتاج منتج نظيف صالح للشرب.
يعتبر الغسيل الكهربائي أداة فعالة لتحلية المياه، ولكنه غالبًا ما يأتي بتكلفة عالية من الطاقة، هذا يرجع إلى حد كبير إلى تفاعل تقسيم الماء الرائد، والذي يسحب جزيئات الماء بعيدًا إلى مكونين: بروتون موجب الشحنة وهيدروكسيد سالب الشحنة.
نظرًا لأن اللبنات الأساسية للملح لها شحنات خاصة بها، فإن تقسيم الماء يجبر حركة المعدن في اتجاه معين – مثل العثة إلى لهب مشحون بشكل معاكس أو قطعة من المعدن إلى مغناطيس.
تعديل النهج التقليدي
بدلاً من المغناطيس، يستخدم الغسيل الكهربي أغشية التبادل الأيوني المشحونة والتي سميت بهذا الاسم لأن الأيونات فقط (الذرات ذات الشحنة الكهربائية الموجبة أو السالبة) يمكن أن تمر من خلالها.
تعتبر أغشية التبادل الأيوني من أغلى مكونات الغسيل الكهربي، لأنها تتطلب صيانة دؤوبة واستبدالًا متكررًا.
سعى سو وزملاؤه إلى تنقية المياه دون تكلفة الطاقة الناتجة عن غسيل الكلى أو الإجهاد المالي لأغشية التبادل الأيوني، لذلك، قاموا بتعديل النهج التقليدي بطريقتين رئيسيتين.
لتوفير الطاقة قام الباحثون بتبسيط عملية فصل الملح بظاهرة كيميائية تسمى تفاعل الأكسدة والاختزال، كلمة الأكسدة والاختزال هي عبارة عن مجموعة من الكلمات الاختزال (والتي، في الكيمياء، تصف إضافة الإلكترونات لإنشاء شحنة سالبة) والأكسدة (مما يعني طرح الإلكترونات لإنشاء شحنة موجبة ) .
من الناحية الفيزيائية، يبدو أن إطلاق تفاعل الأكسدة والاختزال يشبه إضافة مادة خاصة قائمة على البوليمر إلى مياه الصرف الصحي قبل تصفيتها وتنقيتها.
كيميائيا، النتائج تحويلية، بدلاً من تقسيم جزيئات الماء إلى شرائح موجبة وسالبة الشحنة لإخراج الملح، يغير تفاعل الأكسدة والاختزال شحنة جزيء الماء بالكامل في ضربة واحدة، مما يحقق نفس الدرجة من الفصل المالح مع طاقة أقل بحوالي 90٪ من الماء التقليدي- شق.
لإضافة وفورات اقتصادية إلى كفاءة الطاقة، استبدل الباحثون أغشية التبادل الأيوني التقليدية بغشاء الترشيح النانوي، وهو خيار أكثر قوة وأقل تكلفة.
أظهرت التجارب في محطة معالجة المياه الإقليمية، أن طريقة الباحثين يمكنها تنقية المياه العادمة بنجاح ؛ تتضمن الخطط المستقبلية التوسع في مصادر المياه المالحة والمياه قليلة الملوحة مثل المياه الجوفية والأنهار.
تحلية المياه منخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة
نظرًا لاحتياجاتها المنخفضة من الطاقة، تم تصميم الغسيل الكهربائي المستوحى من الأكسدة والاختزال ليتوافق جيدًا مع الألواح الشمسية.
وقال سو، إن أدائه الإيجابي في المناخات الحارة مفيد للتطبيقات في المناطق المتأثرة بالمناخ ، “حيث هناك حاجة ماسة إلى تحلية المياه منخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة “، مضيفا “ندرة المياه مشكلة عالمية، ولن تتغير في يوم واحد، لكننا نتخذ خطوة نحو حل ممكن وقابل للتوسع”.
حتى الآن، اختبر الباحثون طريقتهم على عينات من عدة لترات، لكنهم حريصون على التوسع في بركة أكبر.
قال سو “لدينا البوليمر المناسب، لدينا الغشاء المناسب، ولدينا الظروف المناسبة”، “العلم موجود، لذا فإن الخطوة التالية هي تمهيد الطريق لنشر هذه الأجهزة لمعالجة المياه في العالم الحقيقي، أعتقد أن الوقت مناسب لذلك، وأنا متحمس لرؤية ذلك يحدث.”
