کشف روشی برای نمک‌زدایی کارآمد و ارزان آب

حذف نمک از آب دریا و تبدیل آن به آب شرب، به‌ معنای غلبه بر چالش‌های علمی متعدد از جمله بهینه‌سازی غشای مورد استفاده برای فرایند نمک‌زدایی است و پژوهش جدید در مورد این نوع غشا، نویدبخش دسترسی به عملیات نمک‌زدایی ارزان‌تر و قابل دسترس‌تر در آینده است.

به گزارش ساینس الرت، دانشمندان راهی پیدا کرده‌اند که می‌تواند از نظر انرژی مورد نیاز برای تصفیه‌ی آب، غشا را ۳۰ تا ۴۰ درصد کارآمدتر کند. کلید رویکرد آن‌ها در تراکم غشا در مقیاس نانو نهفته است.

پژوهشگران توضیح می‌دهند که چگونه حفظ یکنواختی در تراکم غشا از نازکی آن اهمیت بیشتری دارد. این امر می‌تواند تکنیک تصفیه‌ی آب را که به اسمز معکوس معروف است، بهبود ببخشد. در این تکنیک، مواد معدنی با استفاده از فشار و به کمک غشا از آب حذف می‌شوند. مانیش کومار، مهندس محیط زیست از دانشگاه آستین تگزاس، می‌گوید:

غشای اسمز معکوس به‌طور وسیعی برای تمیز کردن آب استفاده می‌شود؛ اما هنوز نادانسته‌های زیادی درمورد آن وجود دارد. واقعا نمی‌توانستیم بگوییم آب چگونه از آن‌ عبور می‌کند؛ بنابراین همه پیشرفت‌های ۴۰ سال گذشته اساسا در تاریکی انجام شده است.

بازنمایی سه‌بعدی در مقیاس نانو از غشای مورد استفاده برای تصفیه آب، اهمیت تراکم یکنواخت غشا را نشان داد

کومار و همکارانش برای مشاهده دقیق‌تر این غشاها و برای مدل‌سازی کارآیی تصفیه آب، از تکنیک میکروسکوپی الکترونی چندوجهی یعنی ترکیب تجزیه‌و‌تحلیل ترکیب شیمیایی با بازنمایی سه‌بعدی در مقیاس نانو استفاده کردند. پژوهش آن‌ها از این مشاهده الهام گرفت که غشاهای ضخیم‌تر اغلب در انجام وظیفه نمک‌زدایی بهتر عمل می‌کردند که با توجه به اینکه مواد بیشتری وجود دارد که آب باید از آن‌ها عبور کند، غیر منتظره است. مدل‌سازی نشان داد که غیر یکنواختی و وجود مناطق مرده در غشا، از ضخامت آن نقش مهم‌تری دارد.

وقتی تراکم غشا توزیع یکنواخت‌تری داشت، آب بیشتری با استفاده از انرژی کمتری تصفیه می‌شد که موجب صرفه‌جویی مالی برای شرکت‌های بزرگ تصفیه آب و مصرف‌کنندگان در مقیاس کوچک می‌شود و دسترسی به فناوری را بیشتر می‌کند. انریکه گومز، مهندس شیمی از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، می‌گوید:

می‌توانید به کمک چشم، غیر یکنواختی صافی قهوه را ببینید. غشاهای مورد استفاده برای تصفیه، یکنواخت به‌نظر می‌رسند؛ اما در مقیاس نانو این طور نیست و نحوه‌ی کنترل توزیع جرم برای عملکرد فیلتراسیون آب بسیار مهم است.

تولید آب شیرین نه‌تنها از نظر سلامت عمومی که برای استفاده در کشاورزی و تولید انرژی حیاتی است. سالانه میلیاردها گالن آب تصفیه می‌شود؛ بنابراین افزایش ۳۰ تا ۴۰ درصد کارآیی می‌تواند تفاوت‌ زیادی حاصل کند.

توانایی نمایش غشاها با چنین وضوح بسیار زیادی (در این مورد، کمتر از نصف قطر رشته‌ی DNA) به این معنا است که دانشمندان اکنون درک بهتری در این مورد دارند که چه چیزی موجب می‌شود غشا عملکرد بهتری در اسمز معکوس داشته باشد. این امر به نوبه‌ی خود می‌تواند به پژوهش‌های آینده کمک کند تا راه‌هایی برای افزایش بیشتر کارآیی پیدا کنند.

روش‌های مختلفی برای حذف نمک از آب برای استفاده از آن برای اهداف دیگر وجود دارد؛ اما روش غشا یکی از کارآمدترین روش‌ها است. پژوهشگران در حال بررسی روش‌هایی هستند که طی آن غشا بهبود بیشتری پیدا کند و برای مصارف خاص ب‌صورت سفارشی ساخته شود. گومز می‌گوید: «مدیریت آب شیرین در سراسر جهان در حال تبدیل شدن به چالشی اساسی است. با توجه به کمبودها و خشکسالی‌های همراه‌با الگوهای آب‌و‌هوایی شدید، انتظار می‌رود این مشکل در آینده بزرگ‌تر شود. دسترسی به آب پاک خصوصا در مناطق دارای منابع کم بسیار مهم است.»

این پژوهش در مجله‌ی Science منتشر شده است.