بهبود غشاهای تصفیه آب با استفاده از نانوکامپوزیت زئولیت

به طور طبیعی هر روزه ۱۷ گالن آب شیرین از آب های شور بدست می‌آید که برای ۳۵۰ میلیون نفر کافی است. هنوز دانشمندان به چگونگی وقوع این امر پی نبرده اند.

آنچه که امروزه دانشمندان می‌دانند، چگونگی بهبود این فرایند انرژی بر است.

بسیاری از واحدهای نمک زدا، با عبور دادن آب شور از غشاهایی که تنها آّب را از خود می‌گذرانند، نمک موجود در آن را بیرون می‌کشند. این عمل اسمز معکوس نام دارد. اما دانشمندان هنوز قادر به تحلیل دقیق این پدیده نیستند.

یکی از محققین به نام اریک هوک از دانشگاه UCLA می گوید:”من می‌توانم غشایی بسازیم که آنچه را می‌خواهید، انجام دهد، اما نمی توانم معادله‌ای ارائه دهم که آنرا توصیف کند.”

هوک غشائی را تهیه کرده است که اکنون در حال تجاری سازی در شرکت NanoH2O است. این شرکت ادعا می‌کند به وسیله این غشا میزان تولید آب شیرین، نسبت به غشاهای معمولی، دو برابر می شود.

نمک زدایی از آب شور توجه بسیار زیادی در جهان به خود جلب کرده است؛ چرا که از یک سو با افزایش جمعیت جهان روبرو هستیم، و از سوی دیگر با پیشرفت های اخیر فرایند نمک زدایی، به عنوان یک منبع تهیه آب شیرین، ارزان گشته است. بخشی از این پیشرفت به خاطر استفاده از تجهیزات بازیافت انرژی و در نتیجه کاهش توان مصرفی واحدهای نمک زدایی است، و بخشی دیگر مدیون بهبود قابل توجه در فناوری غشا است.

یکی از اعضای مرکز مشاوره Water Globe می‌گوید که در دهه گذشته غشاها ۵/۲ تا ۳ برابر کارآمدتر شده‌اند، و این امر کاهش قیمت آب شیرین شده را از ۶ تا ۷ دلار در هر هزار گالون، به ۵/۲ تا ۲/۳ دلار همراه داشته است.

اما به گفته یکی از مسئولیون شرکت NanoH2O، این کاهش قیمت از سال ۲۰۰۳ متوقف شده است و حتی اندکی افزایش قیمت نیز داشته ایم. دلیل این امر کند شدن و تا حدی توقف پیشرفت فناوری غشا می باشد.

برای جدا کردن نمک از آب، آب شور با فشار خیلی بالا از غشاهای اسمز معکوس عبور داده می‌شود. مهندسان غشاها را از پلیمرهایی شبیه کولار ساخته‌اند که قویتر ، یکنواخت تر و با قابلیت بهتری در پس زدن نمک می‌باشند. اما چنانچه برای افزایش نرخ شیرین سازی، تراوایی (نفوذ ناپذیری) غشاها افزایش داده شود، مقادیر زیادی نمک به همراه آب از غشا عبور می کند.

مشکل دیگر این است که این غشاها همواره مرطوب هستند، و به همین دلیل محل مناسبی برای رشد باکتری بشمار می‌روند. در نتیجه مدام جرم گرفته و دائما باید با مواد شیمیایی تمیز شوند یا تعویض گردند.

یک راه برای اینکه آب با سرعت بیشتری عبور داده شود و به علاوه میزان رشد باکتری نیز کاهش یابد، استفاده از مواد هیدروفیل یا آبدوست است.

غشاهای پلیمری رایج آبگریز هستند؛ مانند یک سطح واکس زده شده، آب روی آنها به شکل قطرات جدا از هم در می آید. این عدم تمایل باعث افزایش فشار لازم برای عبور آب می شود، و به علاوه محل‌های میکروسکوپیک خشک و امنی برای گیر افتادن باکتری ها، فراهم می شود.

هوک تصمیم گرفت مواد متخلخلی شبیه خاک رس، که زئولیت نام دارد، امتحان کند. زئولیت از آلومینا و سیلیکات ها تشکیل شده است. با استفاده از این مواد می توان ذرات ۱۰۰ نانومتری متخلخلی با منفذهایی به کوچکی ۲/۰ نانومتر تهیه نمود. این ابعاد در حدود اندازه مولکول آب و در عین حال کوچکتر از اندازه یون نمک (۸/۰ نانومتر) است. او می‌گوید: “می خواهیم منافذی که تنها آب می‌تواند از آن عبور کند، ایجاد کنیم.”

تلاش های زیادی برای تهیه فیلم های زئولیت خالص صورت گرفته است، اما به دلیل سختی کنترل ویژگی ها و هزینه بالا، ساخت این فیلم ها موفقیت آمیز نبوده است.

به همین دلیل هوک تصمیم گرفت تا نانوکامپوزیت زئولیت را تهیه کند. وی ابتدا ذرات نانو زئولیت را تولید نموده، سپس آن را با پلیمرهای معمولی پخت کرد. نانو کامپوزیت حاصل مانند زئولیت خالص کاملاً آبدوست نیست، اما در مقایسه با پلیمرهای معمول کمتر آبگریز است.

همچنین او توانست مقادیر بسیار کمی از نقره به نانو ذرات اضافه کند. نقره به عنوان ضد میکروب عمل می‌کند و غشا را در برابر باکتری مقاوم تر می‌‌نماید.

غشای حاصل در معرض آب با فشار بالا و باکتری تست شد. نتایج به دست آمده آنقدر خوب بود که شرکت NanoH2O توانست برای تجاری سازی محصول، یک قرارداد ۱۵ میلیون دلاری امضا کند.

شرکت NanoH2O برای بهبود و تکمیل نمونه های اولیه ی غشاهای نانو ذراتی که هوک ساخته است، اصلاحات اساسی انجام داده است، اما چگونگی این کار گفته نشده است. شرکت قصد دارد به یک افزایش ۱۰۰ درصدی در میزان تولید آب دست یابد، بنابراین حجم تولید آب توسط یک غشا ۸ اینچی، روزانه از ۶۰۰۰ تا ۷۵۰۰ گالن به ۱۲۰۰۰ گالن افزایش خواهد یافت. غشا با همان اندازه و شکل غشاهای موجود تولید خواهد شد، در نتیجه واحدهای شیرین سازی لازم نیست چیزی را تغییر دهند. شرکت NanoH2O در حال ساخت ظرفیت لازم جهت تولید حدوداً ۱۰،۰۰۰۰ تا ۲۰،۰۰۰ غشا می باشد. اولین غشاها اوایل سال ۲۰۱۰ وارد بازار می شوند.

موفقیت این غشاها گامی موثر جهت کاهش قیمت و انرژی مصرفی تولید آب شیرین و تازه خواهد بود، اگرچه هنوز فیزیک آنچه را که اتفاق می‌افتد، دقیقاً نمی دانیم.

——————————–

Forbes.com