في أحد الأفلام الوثائقية التي بثتها هيئة الإذاعة البريطانية (بي بي سي) تم تقديم حيوان سحري "يحصل على الماء من الصحراء". هناك خنفساء تعيش في صحراء ناميبيا. تتكون ظهورها من نتوءات محبة للماء وركائز شديدة النفور من الماء، مما يسمح للخنفساء بالتقاط الرطوبة من الهواء.
في كل صباح، يمتلئ الهواء في صحراء ناميبيا بالضباب. وفي هذا الوقت، يتم التقاط الرطوبة المحيطة بالخنفساء بواسطة النتوءات المحبة للماء على جسمها.
وبعد ذلك تتكثف الرطوبة تدريجيا على شكل قطرات ماء على القشرة الصلبة للخنفساء. ثم تتدفق قطرات الماء تحت تأثير الجاذبية إلى فمها على طول ظهر الخنفساء شديد الكراهية للماء. وبهذه الطريقة، في الصحراء التي تعاني من ندرة المياه بشكل كبير، حصلت الخنفساء على مياه الشرب بطريقة رائعة.
لفترة طويلة، التزم فريق البروفيسور لي جيان من جامعة نورثويست نورمال بمفهوم البحث "التعلم من الطبيعة". يعد فصل الزيت عن الماء أحد اتجاهات بحثه. لقد تخيل ذات مرة: إذا تم دمج البنية الفريدة لخنفساء الصحراء مع الغشاء الفائق الكراهية للزيت تحت الماء، فهل يمكن التقاط قطرات الزيت واستخدامها في مجال فصل الزيت عن الماء؟
وأخيرا تحولت فكرته إلى حقيقة. ومنذ فترة ليست بالبعيدة، استلهم هو وفريقه من قدرة خنفساء الصحراء على "تجميع الماء في الضباب"، فطوروا غشاء لفصل الزيت عن الماء يشبه غشاء خنفساء الصحراء، والذي "يقوم بوظيفة تجميع الزيت في الماء".
يتكون الغشاء من جزيئات زيتية كارهة للماء مرتفعة من نوع ZIF-8 ومادة بولي أكريلونيتريل (PAN) فائقة الكراهية للزيوت تحت الماء في الطبقة السفلية.
عند فصل مستحلبات الماء في الزيت، يمكن للجسيمات المرتفعة الكارهة للماء/الزيتية (ZIF-8) تحقيق "تجميع الزيت في الماء" وإزالة المستحلب، بينما يلعب الغشاء الفائق الكراهية للزيت تحت الماء (PAN) دور الفرز على المستحلب. تحت التأثير التآزري للاثنين، يتم كسر تأثير "المقايضة" بين كفاءة الفصل وتدفق الغشاء الفائق الكراهية للزيت تحت الماء التقليدي، ويتم تحسين كفاءة فصل مستحلب الزيت-الماء مع تحسين تدفق الفصل، ويتم تحقيق الفصل الفعال وعالي الإنتاجية لمختلف مستحلبات الماء في الزيت وحتى مستحلبات الماء في النفط الخام بنجاح.
وعلى هذا الأساس، كشف فريق البحث عن آلية الفصل المعززة "الالتقاط-التجميع-الفصل" لغشاء فصل الزيت عن الماء.
ومن المتوقع أن يكون لهذا الإنجاز آفاق تطبيقية معينة في المعالجة العميقة واستغلال موارد مياه الصرف الصحي الزيتية.
على سبيل المثال، يمكن استخدامه لمعالجة مياه الصرف الصحي الزيتية الناتجة عن صناعة البتروكيماويات، والصناعة المعدنية، وصناعة النسيج، وصناعة الأغذية، ومياه الصرف الصحي في المناطق الحضرية، وانسكاب النفط الخام، ونقل السفن، واستخراج النفط والغاز، ومن المتوقع أن يحقق الفصل والتنقية بكفاءة.
ومن المعلوم أن نقص موارد المياه النظيفة الناجم عن تسرب النفط الخام البحري وتصريف مياه الصرف الصناعي الزيتية يمثل مشكلة عالمية تعرض سلامة البيئة الإيكولوجية للخطر وتحد من التنمية المستدامة للمجتمع البشري.
إن المعالجة العميقة واستغلال موارد مياه الصرف الصحي الزيتية لها أهمية كبيرة في حل مشكلة نقص موارد المياه وحماية البيئة الإيكولوجية وخدمة الحفاظ على الطاقة وخفض الانبعاثات وتحقيق أهداف "الكربون المزدوج".
تتمتع تقنية الأغشية، كإستراتيجية لفصل وتنقية مياه الصرف الصحي الزيتية، بمزايا كبيرة من حيث الكفاءة العالية وانخفاض استهلاك الطاقة، وتعتبر واحدة من أكثر التقنيات فعالية في معالجة مياه الصرف الصحي الزيتية. من خلال فحص حجم المسام وتنظيم قابلية البلل السطحي، يمكن لهذه التقنية تحقيق الفصل الانتقائي لمخاليط الزيت والماء.
ومع ذلك، فإن مشكلة تلوث الأغشية الناجم عن امتصاص المواد الخافضة للتوتر السطحي أو انسداد المسام بقطرات الزيت لا تزال واحدة من أكبر التحديات التي تواجه معالجة مياه الصرف الصحي الزيتية.
سيؤدي تلوث السطح بالزيت إلى انخفاض تدفق غشاء فصل الزيت عن الماء، وانخفاض كفاءة الفصل، وزيادة استهلاك الطاقة التشغيلية. لذلك، من الضروري تطوير غشاء فصل الزيت عن الماء بكفاءة فصل عالية واستقرار تشغيلي قوي، بحيث يمكن تحقيق المعالجة العميقة واستغلال موارد مياه الصرف الصحي الزيتية.
استجابة لمشكلة تلوث الأغشية التي تواجهها عادةً أغشية فصل الزيت عن الماء، وبإلهام من تأثير التنظيف الذاتي لقشور الأسماك، قام فريق لي جيان بإعداد سلسلة من مواد الفصل مثل مواد فصل الترشيح ومواد فصل الامتزاز منذ عام 2015، مع التركيز على مفهوم تصميم القدرة الفائقة على مقاومة الماء/القدرات الفائقة على مقاومة الزيوت تحت الماء.
ومن بينها، يمكن لمواد فصل الترشيح التي طوروها تحقيق فصل ناجح لمستحلبات الزيت والماء. ومع ذلك، فإن العيب الوحيد هو أنه عند استخدام هذا النوع من المواد لمعالجة مستحلبات الزيت والماء، عند تحسين كفاءة الفصل، سيتم تقليل التدفق.
على وجه التحديد، من خلال إنشاء سطح محب للماء، يمكن للماء أن يمر عبر بنية مسام الغشاء ويشكل طبقة ترطيب على السطح، وبالتالي منع التلامس بين قطرات الزيت والغشاء الفاصل.
الغشاء الهيكلي الطبقي الذي تم تجميعه من مواد ثنائية الأبعاد يتميز بسمك غشاء رقيق للغاية ومسام نانوية، كما تتميز قنواته النانوية بنفاذية عالية وانتقائية عالية.
ومع ذلك، مع زيادة تدفق النفاذية، ستظهر سرعة تدفق طبيعية أعلى على سطح الغشاء، مما يؤدي إلى تقليل التباعد بين طبقات الغشاء ذي البنية الطبقية ثنائية الأبعاد، وبالتالي تقليل تدفق النفاذية.
في الوقت نفسه، سيؤدي تقليل المسافة بين الطبقات في الغشاء ثنائي الأبعاد إلى ضغط طبقة الترطيب بين الطبقات، وبالتالي يتم تقليل أداء مقاومة التلوث. لذلك، فإن كيفية تحقيق التوازن بين تدفق النفاذية والقدرة على مقاومة التلوث هي مشكلة صعبة في البحث عن أغشية فصل الزيت عن الماء عالية الأداء.
ولحل هذه المشكلة، استخدم فريق البحث جسيمات نانوية من الإطار العضوي المعدني (MOF، UiO-66-NH2) وصفائح نانوية ثنائية الأبعاد من MXene من خلال استراتيجية التجميع الذاتي للواجهة لبناء غشاء وظيفي عالي النفاذية.
يمكن إنشاء هذا الغشاء الوظيفي عالي النفاذية من خلال استراتيجية التجميع الذاتي للواجهة. بالتفصيل، يمكن لطبقة التداخل التي تم إنشاؤها بواسطة جسيمات نانوية ذات إطار عضوي معدني توسيع التباعد بين الطبقات بين صفائح MXene النانوية ثنائية الأبعاد، وبالتالي تحسين تدفق النفاذية.
في الوقت نفسه، يمكن لجزيئات النانو ذات الإطار العضوي المعدني دعم صفائح MXene النانوية وتجنب بثق طبقة الغشاء الناجم عن سرعة التدفق الطبيعي العالية على سطح الغشاء.
علاوة على ذلك، تتمتع جسيمات النانو الإطارية العضوية المعدنية أيضًا بخصائص امتصاص الماء والاحتفاظ بالماء الممتازة، مما يمكن أن يجعل سطح غشاء الفصل وطبقة الترطيب لطبقة التداخل أكثر استقرارًا، بحيث يتمتع غشاء فصل الزيت عن الماء بخواص ممتازة مضادة للزيوت ومقاومة للتآكل تحت الماء.
بالإضافة إلى ذلك، تساعد الروابط الهيدروجينية المتكونة بين البولي إيثيلين جلايكول (PEG) وMXene والأطر العضوية المعدنية على تعزيز استقرار بنية التداخل بشكل أكبر وتحسين قابلية الغشاء الوظيفي للماء.
بشكل عام، وبفضل بنية التداخل الفريدة لمادة غشاء MXene ثنائية الأبعاد والقدرة على حب الماء واحتباس الماء لجزيئات الإطار العضوي المعدني، فإن غشاء فصل الزيت عن الماء هذا يُظهر المزايا التالية:
أولاً، تمنحه طبقة الترطيب المستقرة على السطح والتداخل قدرة ممتازة على مقاومة الأوساخ؛ ثانيًا، تمنحه المسافة المستقرة بين الطبقات قدرة فصل عالية التدفق ومتواصلة ومستقرة. ثالثًا، يتمتع أيضًا بمتانة كيميائية ممتازة.
بفضل هذه القدرات، لا يمكنها فقط حل مشكلة القيود المتبادلة بين تدفق النفاذية والقدرة المضادة للتلوث لأغشية البنية الطبقية ثنائية الأبعاد، بل توفر أيضًا أفكارًا جديدة لتطوير مواد أغشية فصل الزيت عن الماء عالية الأداء، وإلى حد ما حل مشكلة تلوث الغشاء التي تواجهها مواد الأغشية فائقة المحبة للماء/ فائقة الكراهية للزيوت الحالية.
أخيرًا، نُشرت الورقة ذات الصلة في مجلة كيمياء المواد A بعنوان "غشاء نانوي ليفي مركب ZIF-8/PAN يشبه خنفساء الصحراء العكسية للفصل عالي الكفاءة لمستحلبات الزيت في الماء"، وكان لي هاويو المؤلف الأول ولي جيان المؤلف المراسل.
نُشرت الورقة البحثية في مجلة علوم الأغشية تحت عنوان "غشاء PEG/MXene@MOF عالي النفاذية مع تباعد مستقر بين الطبقات ومقاومة فعالة للتلوث من أجل تنقية مياه الصرف الصحي الزيتية المستمرة"، وكان Xiang Bin هو المؤلف الأول و Li Jian هو المؤلف المراسل.
