تصفیه آب کارآمد و به صرفه با یک «اَلک هوشمند»

دانشمندان یک «الک هوشمند» نسل جدید مهندسی کرده‌اند که می‌تواند مصرف انرژی صنعتی را به ‌طور چشمگیری کاهش دهد و در عین حال بازیافت آب و تصفیه شیمیایی را بسیار کارآمدتر کند.

به گزارش سیناپرس، پژوهشگران یک غشای فیلتراسیون فوق‌دقیق جدید با نام «POMbranes» را توسعه داده‌اند که با استفاده از حفره‌های یک نانومتری امکان جداسازی بسیار دقیق مولکول‌ها را فراهم می‌کند. این غشاها عملکردی تا ۱۰ برابر بهتر از فناوری‌های موجود دارند و در عین حال پایدار، انعطاف‌پذیر و قابل مقیاس‌پذیری هستند.

این فناوری می‌تواند با کاهش مصرف انرژی، بهبود بازیافت آب و افزایش کارایی در تصفیه شیمیایی صنایع مختلفی مانند نساجی و داروسازی را متحول کند. این سیستم که از ساختارهای زیستی مانند آکواپورین‌ها الهام گرفته شده، از خوشه‌های پلی‌اکسومتالات (polyoxometalate) با منافذ یکنواخت و دائمی برای ایجاد گزینش‌پذیری بالا استفاده می‌کند.

این غشاها پتانسیل آن را دارند که تولید پایدار را پیش ببرند و چالش‌های مهم در تصفیه فاضلاب و خالص‌سازی دارو را برطرف کنند.

بسیاری از فعالیت‌های صنعتی به جداسازی مواد مختلف از یکدیگر وابسته‌اند؛ از جمله تصفیه دارو، رنگ‌بری در صنعت نساجی و تولید مواد غذایی. اما این فرآیندها از انرژی‌برترین عملیات‌های صنعتی هستند و حدود ۴۰ تا ۵۰ درصد مصرف انرژی جهانی صنعت را شامل می‌شوند.

محدودیت روش‌های فعلی

اکثر کارخانه‌ها هنوز از روش‌هایی مانند تقطیر و تبخیر استفاده می‌کنند. این روش‌ها اگرچه مؤثرند، اما انرژی بسیار زیادی مصرف می‌کنند و باعث انتشار قابل توجه کربن می‌شوند.

فیلتراسیون غشایی گزینه‌ای پاک‌تر محسوب می‌شود، اما غشاهای پلیمری معمولا دارای منافذ نامنظم هستند. این منافذ در طول زمان تغییر شکل می‌دهند یا تخریب می‌شوند و همین موضوع کارایی آن‌ها را محدود می‌کند.

غشاهای الهام‌گرفته از طبیعت با منافذ یک نانومتری

برای حل این مشکلات، پژوهشگران کلاس جدیدی از غشاهای کریستالی بسیار انتخاب‌گر با نام «POMbranes» را طراحی کردند که دارای منافذی حدود یک نانومتر هستند؛ یعنی هزاران بار نازک‌تر از یک تار مو.

این فناوری از سیستم‌های زیستی مانند آکواپورین‌ها الهام گرفته شده است؛ کانال‌هایی که در طبیعت حرکت مولکول‌ها را به ‌صورت دقیق تنظیم می‌کنند. برای رسیدن به این سطح از کنترل، پژوهشگران از خوشه‌های پلی‌اکسومتالات (POM) استفاده کردند؛ هر خوشه دارای یک دهانه طبیعی دقیقا یک نانومتری است که کاملا پایدار باقی می‌ماند.

ساخت یک غربال مولکولی فوق‌نازک

برای ساخت یک غشای عملی، لازم بود میلیاردها از این ساختارهای حلقه‌ای در یک لایه پیوسته و بدون نقص قرار گیرند.

پژوهشگران برای این کار زنجیره‌های شیمیایی انعطاف‌پذیر را به این خوشه‌ها متصل کردند. وقتی این خوشه‌های اصلاح‌شده روی آب قرار گرفتند، به ‌طور طبیعی پخش شده و یک فیلم فوق‌نازک در مقیاس وسیع تشکیل دادند. با تغییر طول زنجیره‌ها، گروه تحقیق توانست میزان فشردگی این ساختارها را کنترل کند. به گفته پژوهشگران، این کار باعث شد مولکول‌ها تنها از مسیر باز عبور کنند؛ یعنی همان حفره‌های یک نانومتری موجود در هر خوشه.

عملکرد بسیار بهتر از فناوری‌های موجود

آزمایش‌ها نشان داد این غشاها می‌توانند مولکول‌هایی را که تنها ۱۰۰ تا ۲۰۰ دالتون اختلاف وزن دارند از هم تشخیص دهند؛ دقتی که در غشاهای پلیمری بسیار دشوار است.

پژوهشگران اعلام کردند این فناوری حدود ۱۰ برابر عملکرد جداسازی بهتر نسبت به فناوری‌های فعلی دارد و در عین حال انعطاف‌پذیر، پایدار و قابل تولید در مقیاس بزرگ است.

کاربردهای احتمالی در نساجی و تصفیه آب

این فناوری می‌تواند به‌ویژه برای صنایع نساجی و داروسازی هند بسیار مهم باشد. صنعت نساجی حجم زیادی از فاضلاب آلوده تولید می‌کند و حذف رنگ‌ها و بازیافت آب همواره چالش بزرگی بوده است. این غشاها می‌توانند مولکول‌های رنگ را جدا کرده و اجازه دهند آب دوباره استفاده شود.

کاربرد در داروسازی

به نقل از ایسنا، در تولید دارو نیز فرآیندهایی مانند تصفیه و بازیافت حلال‌ها بسیار انرژی‌بر هستند. غشاهای بسیار انتخاب‌گر می‌توانند این مصرف انرژی را کاهش دهند و در عین حال استانداردهای سخت‌گیرانه کیفیت را حفظ کنند. این ویژگی‌ها باعث می‌شود بتوان از آن‌ها در طیف وسیعی از کاربردها استفاده کرد؛ از تصفیه فاضلاب گرفته تا تولیدات شیمیایی پیشرفته.

این پژوهش نشان می‌دهد چگونه الهام گرفتن از طبیعت و کنترل دقیق در مقیاس مولکولی می‌تواند به فناوری‌هایی منجر شود که هم بهره‌وری را افزایش می‌دهند و هم به کاهش مصرف انرژی و حرکت به سمت تولید پایدار کمک می‌کنند.