دستگاه جدید آب شور را بیش از 1000 برابر سریعتر از تجهیزات صنعتی استاندارد تصفیه می کند

آینده نمک زدایی: استفاده از غشای تفلون مانند برای تصفیه آب

کمبود آب یک مشکل رو به رشد در سراسر جهان است. تنها در آفریقا، تخمین زده می شود که تا سال 2025 حدود 230 میلیون نفر با کمبود آب مواجه خواهند شد که بیش از 460 میلیون نفر در مناطق تحت فشار آب زندگی می کنند.

آب 70 درصد زمین را پوشانده است، بنابراین به راحتی می توان فرض کرد که همیشه فراوان خواهد بود. با این حال آب شیرین بسیار کمیاب است. یکی از فناوری‌هایی که برای کمک به تولید بیشتر آب شیرین طراحی شده است، دستگاه‌های نمک‌زدایی هستند. نمک زدایی آب فرآیند حذف نمک از آب دریا برای تولید آب شیرین است که می تواند بیشتر پردازش شود و با خیال راحت از آن استفاده کرد. یک دستگاه آب شیرین کن تقریباً نیمی از آبی را که دریافت می کند به آب آشامیدنی تبدیل می کند.

اگرچه نمک‌زدایی از آب دریا یک روش ثابت برای تولید آب آشامیدنی است، اما هزینه انرژی بالایی دارد. محققان برای اولین بار با استفاده از نانوساختارهای مبتنی بر فلوئور با موفقیت نمک را از آب فیلتر کردند. این نانوکانال‌های فلوردار نسبت به فناوری‌های نمک‌زدایی معمولی مؤثرتر هستند، زیرا سریع‌تر عمل می‌کنند، فشار کمتری مصرف می‌کنند، فیلتر مؤثرتری هستند و انرژی کمتری مصرف می‌کنند.

اگر تا به حال از یک ماهیتابه با روکش تفلون نچسب استفاده کرده باشید، احتمالاً دیده اید که چگونه مواد خیس بدون زحمت روی یک ماهیتابه با روکش تفلون می لغزند. فلوئور، یک ماده سبک وزن که ذاتاً آب گریز یا آبگریز است، جزء مهم تفلون است. تفلون همچنین می تواند برای افزایش جریان آب با پوشش لوله ها با آن استفاده شود. دانشیار یوشیمیتسو ایتوه از گروه شیمی و بیوتکنولوژی دانشگاه توکیو و همچنین همکارانش مجذوب این رفتار شدند. بنابراین، آنها الهام گرفتند تا بررسی کنند که چگونه خطوط لوله یا کانال های فلوئور ممکن است در مقیاسی متفاوت، در مقیاس نانو، کار کنند.

ما کنجکاو بودیم که ببینیم یک نانو کانال فلوئورو چقدر ممکن است در فیلتر کردن انتخابی ترکیبات مختلف، به ویژه آب و نمک موثر 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. در حال حاضر دو راه اصلی برای نمک زدایی آب وجود دارد: حرارتی، استفاده از گرما برای تبخیر آب دریا به طوری که به صورت آب خالص متراکم شود، یا با اسمز معکوس، که از فشار برای فشار دادن آب به داخل غشایی که نمک را مسدود می کند، استفاده می کند. هر دو روش به انرژی زیادی نیاز دارند، اما آزمایش‌های ما نشان می‌دهد که نانوکانال‌های فلوردار به انرژی کمی نیاز دارند و مزایای دیگری نیز دارند.

محققان غشاهای فیلتراسیون آزمایشی را با تولید شیمیایی حلقه‌های فلوئور نانوسکوپی که در یک لایه چربی غیرقابل نفوذ روی هم چیده و کاشته می‌شدند، مشابه مولکول‌های آلی موجود در دیواره‌های سلولی، توسعه دادند. آن‌ها نمونه‌های آزمایشی متعددی را با اندازه‌های نانومتری 1 تا 2 نانومتر تولید کردند. برای مقایسه، عرض یک موی انسان تقریباً 100000 نانومتر است. Itoh و همکارانش وجود یون‌های کلر، یکی از اجزای اصلی نمک (دیگری سدیم) را در دو طرف غشای آزمایش ارزیابی کردند تا اثربخشی غشاهای آنها را تعیین کنند.

“دیدن نتایج از نزدیک بسیار هیجان انگیز بود. کانال‌های کوچک‌تر آزمایش ما مولکول‌های نمک ورودی را کاملاً رد می‌کردند، و کانال‌های بزرگ‌تر نیز همچنان نسبت به سایر تکنیک‌های نمک‌زدایی و حتی فیلترهای نانولوله‌های کربنی پیشرفته پیشرفت داشتند. شگفتی واقعی برای من این بود که این روند با چه سرعتی اتفاق افتاد. نمونه ما چندین هزار برابر سریع‌تر از دستگاه‌های معمولی صنعتی و حدود 2400 برابر سریع‌تر از دستگاه‌های آزمایشی نمک‌زدایی مبتنی بر نانولوله‌های کربنی عمل کرد.

از آنجایی که فلوئور از نظر الکتریکی منفی است، یون های منفی مانند کلر موجود در نمک را دفع می کند. اما یک امتیاز اضافی از این منفی بودن این است که آن چیزی که به عنوان خوشه های آب شناخته می شود را نیز تجزیه می کند، که اساساً گروه هایی از مولکول های آب به هم متصل شده اند، به طوری که آنها سریعتر از کانال ها عبور می کنند. غشاهای نمک زدایی آب بر پایه فلوئور این تیم موثرتر، سریعتر هستند، برای کارکردن به انرژی کمتری نیاز دارند، و همچنین برای استفاده بسیار ساده ساخته شده اند، پس مشکل چیست؟

«در حال حاضر، روشی که ما مواد خود را سنتز می کنیم، خود نسبتاً انرژی بر است. با این حال، این چیزی است که ما امیدواریم در تحقیقات آتی آن را بهبود بخشیم. و با توجه به طول عمر غشاها و هزینه های عملیاتی پایین آنها، هزینه کلی انرژی بسیار کمتر از روش های فعلی خواهد بود. گام‌های دیگری که می‌خواهیم برداریم، البته افزایش این امر است. نمونه‌های آزمایشی ما تک کاناله‌ای بودند، اما با کمک متخصصان دیگر، امیدواریم طی چندین سال غشایی به طول حدود 1 متر ایجاد کنیم. به موازات این نگرانی های تولید، ما همچنین در حال بررسی این هستیم که آیا غشاهای مشابه می توانند برای کاهش دی اکسید کربن یا سایر محصولات زائد نامطلوب منتشر شده توسط صنعت استفاده شوند یا خیر.

مرجع: “نفوذ آب فوق سریع از طریق نانو کانال ها با سطح داخلی فلوردار متراکم” توسط یوشیمیتسو ایتوه، شوو چن، ریوتا هیراهارا، تاکشی کوندا، سوباسا آئوکی، تاکومی اوئدا، ایچیو شیمادا، جیمز جی. کانن، چنگ شائو، جونیچیروهیوتوم تاباتا، هیرویوکی نوجی، کوهی ساتو و تاکوزو آیدا، 12 مه 2022، علم.