تکنولوژی جدید، چگونه آب را تصفیه می‌کند؟
مجله علمی ایلیاد - تصفیه و سالم‌سازی آب برای مصارف انسانی و همچنین برای تمیز کردن فاضلاب‌های صنعتی و شهری، حدوداً ۱۳درصد از کل مصرف برق در ایالات متحده را به خود اختصاص داده است. این کار سالانه باعث انتشار ۲۹۰ میلیون تن دی‌اکسیدکربن در هوا می‌شود که حدوداً برابر با وزن همه‌ی انسان‌های روی زمین است.
یکی از مرسوم‌ترین روش‌های تصفیه‌ی آب، عبور دادن آن از یک غشاء است که تخلخل آن به نحوی است که ذرات بزرگ‌تر از مولکول‌های آب را تصفیه می‌کند. به هر حال این غشاها در معرض اشباع شدن یا همان مسدود شدن توسط ذرات تصفیه شده، هستند و الکتریسیته‌ی بیشتری لازم است تا آب را از غشای مسدود شده عبور داد. همچنین به صورت متناوب، لازم است که غشاها تعویض شوند که هر دوی این عملیات، باعث افزایش هزینه‌های تولید آب سالم می‌شود.
تحقیقات جدیدی در دانشگاه هاروارد و با همکاری دانشگاه نورث‌ایسترن و دانشگاه واترلو صورت گرفته که نشان می‌دهد، غشاهای مایع «LGM» ذرات گرد و خاک در مقیاس نانو را با کارایی دو برابر تصفیه می‌کنند و مدت زمان لازم برای تعویض غشاء نیز، سه برابر خواهد شد. با استفاده از این غشاء، فشار مورد نیاز برای تصفیه نیز کاهش پیدا می‌کند. این راه‌حل می‌تواند هزینه‌ها و مصرف برق را در تصفیه‌ی آب، کاهش دهد. این مطالعه در مجله‌ی APL Materials به چاپ رسیده است.
«جک آلوارنجا» از دانشگاه هاروارد، می‌گوید: «این اولین مطالعه‌ای است که نشان می‌دهد LGM می‌تواند برای تصفیه‌ی پایدار در صنایع سنگین، مورد استفاده قرار گیرد. همچنین این تحقیق در مورد چگونگی مقاومت LGM در برابر انواع روش‌های اشباع که می‌توانند منجر به استفاده‌ی آن در فرآیندهای متعدد شود، اطلاعاتی ارائه می‌دهد.»
در واقع LGM استفاده‌ی طبیعی از تخلخل‌های پُرشده با مایع را شبیه‌سازی کرده تا حرکت گازها، مایعات و ذرات را از بین فیلترهای زیستی، با استفاده از کمترین مقدار انرژی کنترل کند. هر LGM با مایعی پوشانده شده است که به‌عنوان یک دروازه‌ی برگشت‌پذیر عمل می‌کند و در حالت بسته، تخلخل‌های آن را پُر کرده و آب‌بندی می‌کند. وقتی که به غشاء فشار وارد می‌شود، مایع موجود در تخلخل به بیرون هُل داده می‌شود و غشار در حالت باز قرار می‌گیرد و راهی برای عبور گازها و مایعات خاص ایجاد می‌کند. به علت وجود سطوح مایع، اشباع شدن این غشاها دیرتر اتفاق می‌افتد. استفاده از تخلخل‌های سیال، می‌تواند منجر به جدا شدن یک ترکیب خاص از بین مخلوطی از ترکیب‌ها شود که در صنایع فرآورش مایعات، بسیار مورد نیاز است.
گروه محققین تصمیم گرفتند که LGM را بر روی محلولی از آب و خاک رُس آزمایش کنند. آن‌ها مایع «پرفلوروپولی‌اتر»، روان‌کننده‌ای که در ۳۰ سال گذشته در صنعت هوایی مورد استفاده بوده است را به دیسک‌های ۲۵ میلی‌متری غشاهای تصفیه‌ی معمولی، تزریق کردند و دیسک‌ها را به LGM تبدیل کردند. در مرحله‌ی بعد آن‌ها فیلترهای معمولی و LGM را تحت فشار محلول خاک رُس قرار دادند و عملکرد آن‌ها را با یکدیگر مقایسه کردند.
نشانه‌های اشباع‌شدگی در فیلترهای معمولی بسیار سریع‌تر بروز کرد، ولی LGM تا سه برابر زمان فیلترهای معمولی نیاز به احیاء نداشت. نیاز کمتر به احیاء به معنی استفاده‌ی کمتر از مواد شیمیایی و انرژی است. هر چند مدت بیشتری طول کشید تا LGM نیاز به احیاء پیدا کند، ولی باز هم ذرات باقی مانده در ساختار آن ۶۰ درصد کمتر بود. این نوع اشباع‌شدگی «برگشت‌ناپذیر» نامیده می‌شود؛ چرا که خارج کردن ذرات از ساختار فیلتر ممکن نیست. این مزیت باعث می‌شود طول عمر LGM بلندتر باشد. به‌علاوه فشار مورد نیاز برای شروع تصفیه نیز با استفاده از LGM، ۱۶درصد کاهش پیدا می‌کند.
«جوانا آیزنبرگ» از دانشگاه هاروارد، می‌گوید: «LGM را می‌توان در صنایع مختلفی شامل غذا و تولید نوشیدنی، ساخت داروهای زیستی، نساجی، کاغذ، صنایع شیمیایی و پتروشیمی استفاده کرد و می‌تواند باعث بهبود مصرف انرژی و همچنین بالا بردن بازده شود.» مرحله‌ی تحقیقاتی بعدی گروه محققین شامل استفاده از LGM در مقیاس نیمه‌صنعتی، عملکرد LGM در طولانی مدت و تصفیه‌ی مخلوط‌های پیچیده‌تر می‌شود. این مطالعات دید عمیق‌تری نسبت به تجاری شدن استفاده از LGM در کاربردهای مختلف ایجاد می‌کند.
«دونالد اینگبر» به عنوان رئیس بخش حمایت‌های مالی در موسسه‌ی ویز از دانشگاه هاروارد، می‌گوید: «مفهوم استفاده از یک مایع برای کمک به تصفیه‌ی مایعات دیگر که احتمالاً برای ما آنچنان واضح نیست، در طبیعت مورد استفاده و شایع است. شگفت‌انگیز است که می‌بینیم نوآوری‌های الهام گرفته شده از طبیعت، منجر به ذخیره‌ی انرژی فوق‌العاده‌ای می‌شوند.»
نوشته: لیندسای برونل
ترجمه: امید محمدی – مجله علمی ایلیاد