تعد سلامة المياه أحد التحديات الرئيسية لمجتمع اليوم، ولهذا السبب، من الضروري تطوير تقنيات تنقية المياه الفعالة والموفرة للطاقة.
الترشيح النانوي (NF) عبارة عن تقنية غشائية جديدة مدفوعة بالضغط تعمل على إزالة الأيونات متعددة التكافؤ والمواد العضوية الجزيئية الصغيرة مع استهلاك منخفض للطاقة وتستخدم على نطاق واسع في إنتاج مياه الشرب والمياه البلدية ومعالجة مياه الصرف الصناعي.
تعد أغشية الترشيح النانوي المصنوعة من مادة البولي أميد المنتج الرائد في السوق منذ أواخر السبعينيات. يتكون هيكلها المركب من الأغشية الرقيقة من دعامة مسامية وطبقة بولي أميد ثنائية الأبعاد (2D)، والتي تتميز بانتقائية تخلل ممتازة. ومع ذلك، على الرغم من التقدم المعين الذي تم إحرازه من خلال التحسينات في تصميم المونومر والمركبات النانوية وعمليات التصنيع، فإن نفاذية الماء لأغشية البولياميد لا تزال منخفضة نسبيًا، مما يحد من تطبيقاتها الصناعية الأوسع.
في السنوات الأخيرة، أدت التصميمات الجديدة مثل هياكل تورينج النانوية والأسطح المتجعدة إلى توسيع منطقة الترشيح، ولكنها في الأساس تطور للأغشية ثنائية الأبعاد. في المستقبل، من الضروري تطوير هياكل جديدة مدمرة لزيادة تحسين أداء الفصل، مع الفهم العميق للعلاقة بين المعالجة والهيكل لتوفير حلول مبتكرة في مجال تنقية المياه.
هنا، أبلغ وو تشونروي، الباحث في جامعة تيانجين للفنون التطبيقية، عن تحضير غشاء بولي أميد مختلط الأبعاد بمساحة كبيرة عن طريق التجميع الذاتي السريع لجزيئين صغيرين عند واجهة الزيت والماء في درجة حرارة الغرفة.
يحتوي الغشاء على بنية هرمية فريدة تتكون من أنابيب نانوية أحادية البعد نمت على سطح غشاء نانوي ثنائي الأبعاد. يزيد هذا الهيكل المبتكر بشكل كبير من مساحة نقل المياه الفعالة لكل وحدة مساحة مسقطة، مما يجعل أداء فصل الماء والملح للغشاء أعلى بكثير من مواد الأغشية الأكثر تقدمًا المتوفرة حاليًا.
من خلال تجارب التحكم جنبًا إلى جنب مع محاكاة الديناميكيات الجزيئية، وجد الباحثون أن جزيئين المونومر قد انتظما تلقائيًا في شبكة ثنائية الأبعاد من المسام النانوية في بداية التفاعل، وكان النمو التصاعدي للأنابيب النانوية مدفوعًا بالعمل الشعري داخل المسام النانوية.
الشكل: رسم تخطيطي لغشاء بولي أميد مختلط الأبعاد مع بنية NoN، مقارنة جنبًا إلى جنب مع غشاء بولي أميد مستو ثنائي الأبعاد
توفر هذه الدراسة رؤى قيمة حول كيفية تجميع التفاعلات الفيزيائية والكيميائية البينية للجزيئات ذاتيًا في هياكل نانوية هرمية معقدة واسعة النطاق في ظل الظروف المحيطة، وتفتح مسارات جديدة لتطوير أغشية تنقية المياه مختلطة الأبعاد وقابلة للتطوير. تم نشر النتائج ذات الصلة في مجلة Nature Water تحت عنوان التنظيم الذاتي البيني لأغشية البولي أميد مختلطة الأبعاد ذات المساحة الكبيرة من أجل الترشيح المائي النانوي السريع، وكان سي هوا ليو هو المؤلف الأول.
ملخص: هنا، نجحنا في استخدام نهج التكثيف المتعدد السطوح لتحقيق تصنيع واسع النطاق لأغشية البولياميد مختلطة الأبعاد في خطوة واحدة. تمهد بنية NoN الفريدة الطريق لأغشية NF الموفرة للطاقة والتي تظهر نفاذية فائقة للمياه وانتقائية لملح الماء. يمكن توسيع نطاق عملية التصنيع هذه بسهولة باستخدام الطلاء الملتف ولها تطبيقات عملية واعدة في إنتاج مياه الشرب وكذلك معالجة مياه الصرف الصحي البلدية والصناعية. تكشف الأفكار النظرية المكتسبة من هذا العمل مدى تعقيد التكثيف المتعدد السطحي، خاصة في استغلال التفاعل بين التفاعلات الفيزيائية والكيميائية السطحية. يعتقد المؤلفون أن هذه النتائج توفر مصدر إلهام لتطوير تقنيات التصنيع النانوية المتقدمة لسلامة المياه.