آدم أوليانا، جامعة كاليفورنيا ، بيركلي

يحصل معظم الناس على الأرض على المياه العذبة من البحيرات والأنهار. لكن هذه لا تمثل سوى 0.007٪من مياه العالم. ومع نمو عدد السكان، ازداد الطلب على المياه العذبة. والآن، يواجه اثنان من كل ثلاثة أشخاص في العالم ندرة حادة في المياه لا تقل عن شهر واحد في السنة.

يمكن استخدام مصادر المياه الأخرى – مثل مياه البحر ومياه الصرف الصحي – لتلبية الاحتياجات المائية المتزايدة. ولكن مصادر المياه هذه مليئة بالملح وعادة ما تحتوي على ملوثات مثل المعادن السامة. لقد طور العلماء والمهندسون أساليب لإزالة الأملاح والسموم من المياه – وهي عمليات تسمى تحلية المياه. ولكن الخيارات الحالية مكلفة وتتطلب الكثير من الطاقة، خاصة لأنها تتطلب الكثير من الخطوات. كما إن تقنيات التحلية الحالية تخلق أيضاً الكثير من النفايات – حيث يتم فقدان حوالي نصف المياه التي يتم تغذيتها في بعض محطات التحلية كمياه صرف تحتوي على جميع الأملاح والسموم التي تمت إزالتها.

أنا طالب دكتوراه في الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية وجزء من فريق ابتكر مؤخراً طريقة جديدة لتنقية المياه نأمل أن تجعل تحلية المياه أكثر كفاءة، وإدارة النفايات أسهل، وحجم محطات معالجة المياه أصغر. حيث تتميز هذه التقنية بنوع جديد من المرشحات يمكنها استهداف المعادن السامة والتقاطها أثناء إزالة الملح من الماء في نفس الوقت.

تصميم مرشح شامل

لبناء مرشح واحد يمكنه التقاط المعادن وإزالة الملح، احتجت أنا وزملائي أولاً إلى مادة يمكنها إزالة العديد من الملوثات المختلفة – معظمها من المعادن الثقيلة – من الماء. وللقيام بذلك، لجأنا إلى جزيئات صغيرة ماصة تسمى التراكيب العطرية المسامية. حيث تم تصميم هذه الجسيمات لالتقاط الملوثات الفردية بشكل انتقائي. على سبيل المثال، يمكن لنوع واحد من الجسيمات الماصة التقاط الزئبق فقط. الأنواع الأخرى على وجه التحديد تزيل فقط النحاس أو الحديد أو البورون. ثم قمت بعد ذلك بتضمين هذه الأنواع الأربعة المختلفة من الجسيمات في أغشية بلاستيكية رفيعة، مما أدى بشكل أساسي إلى إنشاء مرشحات مخصصة تلتقط الملوثات وفقًا لنوع الجسيمات التي أضعها في الغشاء.

ثم قمت أنا وزميل بوضع هذه المرشحات الغشائية في جهاز تنقية المياه بالتحليل الكهربائي. التحليل الكهربائي هو طريقة تستخدم الكهرباء لسحب الأملاح والسموم من الماء عبر غشاء والى مجرى نفايات منفصل. ويمكن أن تصبح هذه النفايات – التي غالبا ما تسمى محلول ملحي – سامة ومكلفة للتخلص منها في عمليات تحلية المياه الحالية.

في العملية المعدلة التي أجراها فريقي، والتي تسمى التحليل الكهربائي لالتقاط الأيونات، كان أملنا أن الأغشية المليئة بالجسيمات الدقيقة الممتصة للمعادن ستلتقط المعادن السامة بدلاً من السماح لها بالانتقال إلى المحلول الملحي. وهذا من شأنه أن يحقق ثلاث فوائد في نفس الوقت بطريقة تتسم بالكفاءة في استخدام الطاقة: حيث ستتم إزالة الأملاح والمعادن من الماء؛ يمكن التقاط المعادن السامة في غشاء صغير يسهل التخلص منه – أو حتى يمكن إعادة استخدامه؛ وسيكون مجرى النفايات المالحة غير سام.

ما مدى فعالية التحليل الكهربائي لالتقاط الأيونات؟

بمجرد أن نجح فريقنا في صنع هذه الأغشية، كنا بحاجة إلى اختبارها. استخدم الاختبار الأول الذي أجريته مرشحات غشائية مضمنة بمواد ماصة لاحتجاز الزئبق لتنقية المياه من ثلاثة مصادر تحتوي على الزئبق والأملاح: المياه الجوفية والمياه المالحة ومياه الصرف الصناعي. وقد أثار فريقنا، أن الأغشية احتجزت كل الزئبق في كل اختبار. بالإضافة إلى ذلك، كانت الأغشية رائعة أيضاً في التخلص من الملح – تمت إزالة أكثر من 97٪ منه من المياه القذرة وبعد مرور مرة واحدة فقط عبر آلة التحليل الكهربي الجديدة، أصبح الماء صالحاً للشرب تماماً. والأهم من ذلك أظهرت تجارب أخرى أنه لا يمكن للزئبق المرور عبر المرشح حتى يتم استخدام جميع الجسيمات الماصة في المرشح تقريباً.

ثم احتجت أنا وزملائي لمعرفة ما إذا كانت عملية التحليل الكهربائي لالتقاط الأيونات ستعمل على المعادن الضارة الشائعة الأخرى. فقمت باختبار ثلاثة مرشحات غشائية تحتوي على مواد ماصة للنحاس أو الحديد أو البورون. كل المرشحات كانت ناجحة. يلتقط كل مرشح جميع الملوثات المستهدفة دون أن تمر أي كمية يمكن اكتشافها في المحلول الملحي، بينما يزيل في نفس الوقت أكثر من 96٪ من الأملاح من الماء، وينقي المياه إلى حالة تكون فيها قابلة للاستخدام.

التحديات المتبقية

تظهر نتائجنا أن طريقة تنقية المياه الجديدة لدينا يمكنها التقاط العديد من الملوثات الشائعة بشكل انتقائي مع إزالة الملح من الماء أيضاً. ولكن لا تزال هناك تحديات تكنولوجية أخرى يتعين اكتشافها.

أولاً، الجسيمات الماصة عالية الانتقائية – التراكيب العطرية المسامية – التي ضمنتها أنا وزملائي في الغشاء باهظة الثمن للغاية بحيث لا يمكن وضعها في المرشحات ذات الإنتاج الضخم. ربما يكون من الممكن وضع مواد ماصة أرخص – ولكن أقل جودة – في المرشحات بدلاً من ذلك، ولكن هذا قد يؤدي إلى رداءة أداء تنقية المياه.

ثانياً، لا يزال المهندسون مثلي بحاجة أيضاً إلى اختبار التحليل الكهربائي لالتقاط الأيونات على نطاقات أكبر من تلك المستخدمة في المختبر. فغالباً ما تظهر المشكلات في التقنيات الجديدة أثناء هذا الانتقال من المختبر إلى الصناعة.

وأخيراً، سيحتاج مهندسو محطات معالجة المياه إلى التوصل إلى طريقة لإيقاف العملية مؤقتًا قبل أن يصل امتصاص الغشاء إلى الحد الأقصى. وبخلاف ذلك، ستبدأ الملوثات السامة بالتسرب عبر المرشح إلى مياه الصرف المالحة. ويمكن للمهندسين بعد ذلك إعادة العملية بعد استبدال المرشح أو بعد إزالة المعادن من المرشح وتجميعها كنفايات منفصلة.

إننا نأمل أن يؤدي عملنا إلى طرق جديدة يمكنها تنقية مصادر المياه بكفاءة وفعالية والتي تكون أكثر وفرة – لكنها أكثر تلوثاً – من المياه العذبة. فالعمل يستحق كل هذا العناء فعلاً. وبعد كل شيء، إن آثار ندرة المياه هائلة، على المستويين الاجتماعي والعالمي.

آدم أوليانا،طالب دكتوراه في الهندسة الكيميائية والجزيئات الحيوية، جامعة كاليفورنيا، بيركلي

يتم إعادة نشر هذه المقالة من شبكة The Conversation تحت ترخيص المشاع الإبداعي. قراءة المادة الأصلية.