في الآونة الأخيرة، حقق الباحثون الصينيون والأمريكيون تقدمًا مهمًا في اتجاه البحث في معالجة مياه غشاء التناضح العكسي. فقد طوروا مادة غشاء جديدة - مادة غشاء البوليستر (DHMBA)، والتي تتمتع بآفاق تطبيق واسعة في تحلية مياه البحر وتنقية مياه الصرف الصحي البلدية وغيرها من المجالات.
نُشر هذا الإنجاز مؤخرًا في مجلة Science. وقد تم إكمال هذا الإنجاز بشكل مشترك من قبل البروفيسور Zhang Xuan من جامعة Nanjing للعلوم والتكنولوجيا، وفريق Huo Mingxin وWang Xianze من كلية البيئة بجامعة Northeast Normal، والبروفيسور Menachem Elimelech (جامعة ييل)، وهو أكاديمي من الأكاديمية الأمريكية للهندسة.
"غشاء البوليستر" يتحدى "غشاء البولي أميد"
وباعتبارها التكنولوجيا الوحيدة القادرة على تحقيق زيادة مفتوحة لموارد المياه العذبة من المصدر، فإن تحلية مياه البحر هي الخيار الأول لحل مشكلة نقص المياه العالمية وجزء مهم من إعادة تشكيل خطة "الأمن المائي" في بلدي.
في الوقت الحاضر، النوع السائد من غشاء تحلية مياه البحر التجارية هو فيلم البولي أميد المركب (TFC-PA)، ومن بين منتجات DuPont وHydraulic Energy وToray وغيرها من الشركات في الولايات المتحدة تشغل الغالبية العظمى من حصة السوق العالمية.
لقد كانت أغشية التناضح العكسي المركبة ذات الأغشية الرقيقة هي المعيار الذهبي لتكنولوجيا تحلية المياه وتنقيتها منذ ما يقرب من نصف قرن من الزمان. أصبحت أغشية التناضح العكسي المركبة ذات الأغشية الرقيقة المصنوعة من مادة البولي أميد (TFC-RO) هي التكنولوجيا المفضلة لتحلية المياه وإعادة استخدام مياه الصرف الصحي نظرًا لكفاءتها الممتازة في الفصل.
يتم تحضير هذه الأغشية عن طريق البلمرة السطحية، مما ينتج عنه سطح خشن قابل لامتصاص الملوثات. وعلى الرغم من أن المؤكسدات يمكن أن تقلل من التلوث البيولوجي، إلا أن الأغشية المصنوعة من البولي أميد تتلف بسهولة في وجود الكلور.
لذلك، تتطلب معالجة المياه الصناعية خطوات معالجة أولية باهظة الثمن مثل التخثر وإضافة عوامل مضادة للتآكل والتطهير وإزالة الكلور لحماية الأغشية. وعلى الرغم من ظهور الأغشية المقاومة للتآكل والكلور مؤخرًا، فإن أداء تحلية المياه بها أدنى من أداء الأغشية المصنوعة من مادة البولي أميد.
إن الحالة الخاصة هي طبقة انتقائية من البوليستر تتشكل على ركيزة PES، والتي تظهر مقاومة جيدة للكلور وقدرة على تحلية المياه، ولكنها عرضة للتحلل المائي فوق درجة الحموضة 8. 0 إن تطوير أغشية صلبة يمكنها تجنب المعالجة المسبقة من شأنه أن يقلل بشكل كبير من تكاليف تحلية المياه والتأثيرات البيئية.
من أجل حل هذه المشاكل، بدأ فريق البحث التابع للبروفيسور تشانغ شوان في جامعة العلوم والتكنولوجيا الوطنية في وضع ابتكارات مادية في مجال أغشية التناضح العكسي في عام 2014 وأجرى عددًا كبيرًا من الأبحاث الأساسية التطبيقية. كما ركزوا أيضًا على نظام مادة غشاء فصل البوليستر واستمروا في تنفيذ الإبداع الهيكلي والابتكار التكنولوجي.
أخيرًا، صمم الباحثون غشاء التناضح العكسي المركب من فيلم البوليستر (DHMBA) ذو نفاذية عالية للمياه، ومقاومة عالية لكلوريد الصوديوم والبورون، ومقاومة كاملة للكلور. وبالمقارنة مع أغشية البولي أميد، فإن سطح الغشاء فائق النعومة ومنخفض الطاقة يمكنه أيضًا منع التلوث والترسب المعدني.
توفر هذه الأغشية طريقة لتقليل خطوات المعالجة الأولية لتحلية مياه البحر بشكل كبير من خلال تحسين انتقائية الماء والملح بشكل أكبر، مما يشكل تحديًا متزايدًا لأغشية البولي أميد.
علاوة على ذلك، يتبع غشاء التناضح العكسي البوليستر DHMBA عملية إنتاج الأغشية التجارية الحالية، مما يحسن جدوى الإنتاج على نطاق واسع، وهو ما يمثل علامة فارقة في تطوير صناعة التناضح العكسي.
ما هي الخصائص المحسنة للمادة الغشائية الجديدة؟
1. أداء تحلية المياه
وقد وصف الباحثون غشاء DHMBA المحضر وأكدوا أن سطحه كان خاليا من العيوب وكان له كثافة ترابط متقاطع تزيد عن 92٪ مما يدل على تكوين بنية بوليستر مستقرة.
أظهرت ملاحظات المجهر الإلكتروني الماسح والمجهر الذري للقوة أن سطح الغشاء كان أملسًا وأقل خشونة من الأغشية البولي أميد التقليدية.
كما أكد مسبار الذرة والتقنيات الأخرى على تجانس الغشاء وسمكه المناسب. وبالمقارنة مع الأغشية التجارية الموجودة في السوق، كان أداء غشاء DHMBA أفضل في تحلية المياه، وخاصة من حيث رفض الملح وتدفق المياه.
علاوة على ذلك، كان أداؤها أفضل من التقنيات الحالية في إزالة البورون، مما يدل على القدرة على الحفاظ على معدلات إزالة عالية في ظل ظروف مختلفة، والتي قد تكون مرتبطة بخصائصها الكيميائية والشحنية الفريدة.
2. استقرار الكلور في الغشاء
كما اختبر الباحثون استقرار الكلور في أغشية DHMBA وSW30. وتماشياً مع الدراسات السابقة، تدهور أداء أغشية SW30 القائمة على البولي أميد بسرعة عند تعرضها للكلور النشط في ظل جميع ظروف الأس الهيدروجيني، وخاصة في ظل الظروف الحمضية بسبب التآكل المباشر لجزيئات HOCl.
في المقابل، أظهر غشاء DHMBA خصائص مضادة للأكسدة ممتازة لأن البدائل الموجودة في مواضع محددة في بنيته منعت تفاعلات الكلورة المباشرة.
وخاصة في ظل الظروف الحمضية لدرجة الحموضة 0، حافظ غشاء DHMBA على أداء تحلية مستقر، ودعمت حسابات DFT ونتائج XPS هذا الاستنتاج، مما يشير إلى مقاومته لتفاعلات الاستبدال العطرية.
في ظل ظروف الرقم الهيدروجيني المحايدة، يمكن لغشاء DHMBA الحفاظ على الاستقرار في الاختبارات لمدة تصل إلى 2000 ساعة، ويمكنه تحمل تركيزات عالية للغاية من التعرض للكلور الحر حتى عند قيم الرقم الهيدروجيني التي تصل إلى 9.0، مما يدل على مقاومته الممتازة للقلويات.
3. غشاء مضاد للتلوث
قام الباحثون بمقارنة قدرة الأغشية المصنوعة من البوليستر وأغشية SW30 على معالجة الملوثات غير العضوية (المعدنية) والعضوية.
عند اختباره باستخدام حلول الجبس النموذجية ومياه البحر المحاكاة، انخفض تدفق المياه لغشاء SW30 القائم على البولي أميد بسرعة، في حين ظل أداء غشاء البوليستر دون تغيير بشكل أساسي خلال 24 ساعة من التشغيل.
ومن خلال مراقبة المجهر الإلكتروني الماسح، يمكن ملاحظة أن سطح غشاء DHMBA يبقى تقريبًا في حالته الأولية بعد اختبار تحلية مياه البحر، في حين تتشكل بلورات أو تجمعات على سطح غشاء SW30.
وبالمثل، عند معالجة المحاليل الملحية التي تحتوي على ملوثات عضوية محاكاة مثل ألجينات الصوديوم وحمض الهيوميك، أظهر غشاء DHMBA انخفاضًا ضئيلًا في تدفق المياه مقارنة بغشاء SW30. كشفت صور المجهر الإلكتروني الماسح FE-SEM عن تراكم أقل للأوساخ على سطح غشاء DHMBA مقارنة بكعكة الفلتر السميكة والكثيفة المتكونة على سطح غشاء SW30.
يمكن أن تُعزى قدرات غشاء DHMBA المضادة للتلوث والمضادة للالتصاق إلى خصائص سطحه فائقة النعومة ومنخفضة الطاقة والشحنة.
وفي ظل اختبارات مياه البحر الحقيقية وظروف المعالجة بالكلور العادية، أظهر غشاء DHMBA استقرارًا ممتازًا، مع انخفاض بنسبة 2% فقط في تدفق المياه بعد 15 يومًا، مما يسلط الضوء على إمكاناته للتطبيقات في العالم الحقيقي.