ساخت دستگاهی که آب شور را هزار برابر سریع‌تر تصفیه می‌کند

همه‌ی ما می‌دانیم که کمبود آب یک مشکل رو به رشد در سراسر جهان است؛ شاید برخی از ما در مناطقی از زمین زندگی می‌کنیم که کمبود آب آشامیدنی شیرین و تمیز زندگی خودمان را نیز درگیر کرده باشد. تخمین زده می‌شود که تنها در آفریقا تا سال ۲۰۲۵ حدود ۲۳۰ میلیون نفر با کمبود آب مواجه خواهند شد. این در حالی خواهد بود که بیش از ۴۶۰ میلیون نفر نیز به‌نحوی در مناطق تحت چالش‌ پیرامون مسئله‌ی آب وجود خواهد داشت.

موضوع آب برای ما همواره یک تناقض عجیب دارد. با درنظر داشتن اینکه آب حدود ۷۰ درصد از سطح کره‌ی زمین را پوشانده، شاید در نگاه نخست به‌راحتی بتوان چنین فرض کرد که آب همواره به‌مقدار فراوانی برای بشر وجود خواهد داشت. بااین‌حال آب شیرین (آب مناسب برای آشامیدن و کشاورزی) بسیار کمیاب است. یکی از فناوری‌هایی که طی سالیان گذشته برای کمک به تولید بیشتر آب شیرین طراحی شده، دستگاه‌های نمک‌زدایی هستند. نمک‌زدایی آب درواقع به فرایند حذف نمک از آب دریا برای تولید آب شیرین اطلاق می‌شود. این دستگاه‌ها درواقع به‌تعبیری آب را فرآوری می‌کنند و از محصول خروجی‌شان که همان آب شیرین است، با خیال راحت می‌توان استفاده کرد. یک دستگاه آب‌شیرین‌کن تقریباً نیمی از آب دریافتی اولیه را به آب آشامیدنی تبدیل می‌کند.

اگرچه نمک‌زدایی از آب دریا به یک روش ثابت و پایدار برای تولید آب آشامیدنی تبدیل شده، اما هزینه‌ی زیادی را از حیث انرژی بر انسان تحمیل می‌کند. گروهی از محققان برای اولین بار با استفاده از نانوساختارهای مبتنی بر فلوئور توانسته‌اند با موفقیت، نمک را از آب شور جداسازی (فیلتر) کنند. این نانوکانال‌های فلوردار نسبت به فناوری‌های نمک‌زدایی معمولی مؤثرتر هستند. آن‌ها عملکرد سریع‌تری دارند، فشار کمتری مصرف می‌کنند، فیلتر مؤثرتری هستند و درنهایت انرژی کمتری نیز مصرف می‌کنند.

دانشیار یوشیمیتسو ایتوه از گروه شیمی و بیوتکنولوژی دانشگاه توکیو و همکارانش، مجذوب این رفتار تفلون شدند. آن‌ها از عملکرد تفلون در کاربردهای روزمره‌تر الهام گرفتند و بر آن شدند تا پی ببرند که آیا خطوط لوله‌ای یا کانال‌های فلوئوری ممکن است بتوانند در مقیاسی متفاوت و در مقیاس نانو هم کار کنند؟

کاهش انرژی و درنتیجه هزینه‌ی مالی، و همچنین بهبود سادگی نمک‌زدایی آب، می‌تواند به جوامعی در سراسر جهان که دسترسی ضعیفی به آب آشامیدنی سالم دارند کمک کند.

ایتوه توضیح می‌دهد:

ما کنجکاو بودیم که ببینیم یک نانو کانال فلوئور تا چه حد می‌تواند در فیلتر کردن ترکیبات مختلف، به‌ویژه آب و نمک مؤثر باشد. و پس از اجرای برخی شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیچیده، به این نتیجه رسیدیم که ارزش زمان و تلاش برای ایجاد یک نمونه کار را دارد.

وی در ادامه اشاره می‌کند که درحال‌حاضر دو راه اصلی برای نمک زدایی آب وجود دارد: روش حرارتی که عبارت است از استفاده از گرما برای تبخیر آب دریا به‌طوری‌که درنهایت به‌صورت آب خالص متراکم شود؛ یا اسمز معکوس که در آن از اعمال فشار برای وارد کردن آب به غشایی استفاده می‌کنند و این غشا به‌نوعی نمک‌زدایی از آب را رقم می‌زند. هر دوی این روش‌ها به انرژی زیادی نیاز دارند؛ اما آزمایش‌های پژوهشگران مرتبط با تحقیق اخیر نشان می‌دهد که نانوکانال‌های فلوردار به انرژی کمی نیاز داشته و مزایای دیگری را نیز در قیاس با روش‌ها و ابزارهای موجود به‌همراه دارند.

ایتوه مشاهده‌ی نتایج از نزدیک را بسیار هیجان‌انگیز توصیف می‌کند. به‌گفته‌ی او:

کانال‌های کوچک‌تر آزمایش ما مولکول‌های نمک ورودی را کاملاً رد [یا به‌تعبیری فیلتر] می‌کردند و کانال‌های بزرگ‌تر نیز همچنان نسبت به سایر تکنیک‌های نمک‌زدایی و حتی فیلترهای نانولوله‌های کربنی پیشرفته‌ی فعلی، برتری داشتند. شگفتی واقعی برای من در سرعت انجام این روند بود. نمونه‌ی ما چندین هزار برابر سریع‌تر از دستگاه‌های معمولی صنعتی و حدود ۲۴۰۰ برابر سریع‌تر از دستگاه‌های آزمایشی نمک‌زدایی مبتنی بر نانولوله‌های کربنی عمل کرد.

ازآنجاکه فلوئور از نظر الکتریکی دارای بار منفی است، یون‌های منفی مانند کلر موجود در نمک را دفع می‌کند. اما این منفی بودن بار الکتریکی یک امتیاز مازاد هم برای کار تصفیه‌ی آب و چالش پیش روی پژوهشگران این گروه به همراه داشت. بار منفی توانایی درهم‌شکستن و تجزیه‌ی چیزی موسوم به خوشه‌های آب را نیز فراهم می‌کند. خوشه‌های آب اساساً به گروه‌هایی آزاد و به‌تعبیری بی‌قیدانه‌تر از مولکول‌های آب متصل‌ به هم گفته می‌شود و به‌دلیل همین آزاد بودن، سریع‌تر از کانال‌ها عبور می‌کنند.

غشاهای نمک‌زدایی آب مبتنی بر فلوئور این تیم مؤثرتر و سریع‌تر هستند، برای کارکردن به انرژی کمتری نیاز دارند و در کنار تمام اینها برای استفاده‌ی بسیار ساده ساخته شده‌اند و به‌عبارتی پیچیدگی‌های زیادی ندارند. شاید بپرسید پس مانع پیش روی تجاری شدن این روش جدید چیست؟ چرا هم‌اکنون نمی‌توانیم به این فیلترها روی آوریم و فصل جدیدی در دنیای تصفیه‌ی آب‌های شور و تهیه‌ی آب شیرین برای بشریت رقم بزنیم؟ ایتوه درمورد این سؤال توضیح قانع‌کننده‌ای دارد:

درحال‌حاضر، روشی که ما با اتکا به آن، مواد مورد نیاز خود [برای فرایند] را سنتز می‌کنیم، نسبتاً انرژی‌بر است. بااین‌حال، امیدواریم در تحقیقات آتی شرایط را بهبود بخشیم و با توجه به طول عمر غشاها و هزینه‌های عملیاتی پایین آن‌ها، هزینه‌ی کلی انرژی بسیار کمتر از روش‌های فعلی خواهد بود. گام‌های دیگری که می‌خواهیم برداریم، البته در مسیر افزایش بیشتر بهره‌روی و بهبود دستاوردهای فعلی‌مان است. نمونه‌های آزمایشی ما تک‌کاناله‌ بودند؛ اما با کمک متخصصان دیگر، امیدواریم طی چندین سال غشایی به طول حدود یک متر ایجاد کنیم.به موازات این نگرانی‌های موجود پیرامون تولید، ما همچنین در حال بررسی پاسخ این پرسش هستیم که آیا غشاهای مشابه می‌توانند در راستای کاهش دی‌اکسید کربن یا سایر محصولات آلاینده و نامطلوب منتشرشده توسط صنایع مفید واقع شوند یا خیر.

دستاوردهای این گروه در مقاله‌ای علمی در ژورنال Science منتشر شده است.