اختراعی که هزاران برابر سریعتر آب اقیانوس‌ها را شیرین می‌کند

در یک ابتکار جدید دانشمندان با استفاده از غشای تفلون مانند، دستگاه آب شیرین کن جدیدی ساختند که هزار برابر بیش از دستگاه‌های معمول قادر به تصفیه آب شور است.

اگرچه دستگاه‌های آب شیرین کن مدتهاست که در نقاط مختلف جهان مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما دانشمندان اخیراً موفق به ساخت دستگاه جدیدی شدند که می‌تواند هزار برابر بیشتر از دستگاه‌های آب شیرین کن معمول، آب شور را تصفیه کند.

به گزارش هاژه به نقل از فرارو، کمبود آب یک مشکل رو به رشد در سراسر جهان است. تنها در آفریقا، تخمین زده می‌شود که تا سال ۲۰۲۵ حدود ۲۳۰ میلیون نفر با کمبود آب مواجه خواهند شد. با این همه، ما در سیاره‌ای زندگی می‌کنیم که بیش از ۷۰ درصد آن را آب فرا گرفته است، اما همه ما می‌دانیم که درصد اندکی از آن قابل شرب است. به همین دلیل ایده تصفیه آب شور و نمک زدایی آن مدتهاست که در نقاط مختلف جهان شکل گرفته و مورد استفاده قرار می‌گیرد، ولی این فناوری‌ها اغلب گران قیمت و پرهزینه هستند. به همین دلیل بازیابی آب قابل شرب از آب شور، هنوز آنقدر قابل توجه نیست که بحران کمبود آب را مرتفع کند.

علاوه بر هزینه‌های مربوط به تکنولوژی و انرژی، یک دستگاه آب شیرین کن تقریباً تنها نیمی از آبی را که دریافت می‌کند به آب آشامیدنی تبدیل می‌کند؛ بنابراین می‌توان از همین خلاصه به سادگی فهمید که تصفیه آب شور با فناوری‌های فعلی چقدر می‌تواند کارآیی داشته باشد. بر همین اساس محققان در ابتکاری جدید تصمیم گرفتند با استفاده از نانوساختار‌های مبتنی بر فلوئور، اقدام به تصفیه آب شور کنند که نتیجه کار نیز موفقیت آمیز بود. دانشمندان می‌گویند، این نانوکانال‌های فلوردار نسبت به فناوری‌های نمک‌زدایی معمولی مؤثرتر هستند، زیرا سریع‌تر عمل می‌کنند، فشار کمتری متحمل می‌شوند، فیلتر مؤثرتری دارند و انرژی کمتری مصرف می‌کنند.

اگر تا به حال از یک ماهیتابه با روکش تفلون نچسب استفاده کرده باشید، احتمالاً دیده اید که چگونه مواد خیس بدون زحمت روی سطح آن می‌لغزند. فلوئور که یک ماده سبک وزن و ذاتاً آب گریز است، جزء مهم تفلون است. تفلون همچنین می‌تواند برای افزایش جریان آب لوله‌ها با پوشاندن سطح داخلی آن‌ها استفاده شود. یوشیمیتسو ایتوه از گروه شیمی و بیوتکنولوژی دانشگاه توکیو و همچنین همکارانش، مجذوب این رفتار تفلون شدند. بنابراین، آن‌ها با الهام از این رفتار تصمیم گرفتند تا بررسی کنند که چگونه خطوط لوله یا کانال‌های فلوئور ممکن است در مقیاسی متفاوت مانند نانو، کار کنند.

دستگاه آب شیرین کن جدید

ایتوه می‌گوید: «ما کنجکاو بودیم که ببینیم یک نانو کانال فلوئورو چقدر ممکن است در فیلتر کردن ترکیبات مختلف، به ویژه آب و نمک موثر باشد. ما پس از اجرای برخی شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیچیده، به این نتیجه رسیدیم که این ایده ارزش صرف زمان و تلاش برای ایجاد یک نمونه کار را دارد. در حال حاضر دو راه اصلی برای نمک زدایی آب وجود دارد: حرارتی، استفاده از گرما برای تبخیر آب دریا به طوری که به صورت آب خالص متراکم شود، یا با اسمز معکوس، که از فشار استفاده می‌کند تا آب را وارد غشایی کند که نمک را مسدود می‌کند. هر دو روش به انرژی زیادی نیاز دارند، اما آزمایش‌های ما نشان می‌دهد که نانوکانال‌های فلوردار به انرژی کمی نیاز دارند و مزایای دیگری نیز در اختیار ما قرار می‌دهند.»

محققان غشا‌های فیلتراسیون آزمایشی را با تولید شیمیایی حلقه‌های فلوئور نانوسکوپی که در یک لایه چربی غیرقابل نفوذ روی هم قرار می‌گرفتند، شبیه به مولکول‌های آلی موجود در دیواره‌های سلولی، ایجاد کردند. آن‌ها نمونه‌های آزمایشی متعددی را با اندازه‌های نانومتری ۱ تا ۲ نانومتر تولید کردند. برای مقایسه، عرض یک موی انسان تقریباً ۱۰۰۰۰۰ نانومتر است. ایتوه و همکارانش وجود یون‌های کلر، یکی از اجزای اصلی نمک (دیگری سدیم) را در دو طرف غشای آزمایش ارزیابی کردند تا اثربخشی غشا‌های آن‌ها را تعیین کنند.

ایتوه می‌گوید: «دیدن نتایج بسیار هیجان انگیز بود. کانال‌های کوچک آزمایش ما مولکول‌های نمک ورودی را کاملاً مسدود می‌کردند، و کانال‌های بزرگ‌تر نیز همچنان نسبت به سایر تکنیک‌های نمک‌زدایی پیشرفته امروزی، بهتر عمل کردند. شگفتی واقعی برای من این بود که این روند با سرعتی زیاد اتفاق افتاد. نمونه ما چندین هزار برابر سریع‌تر از دستگاه‌های معمولی صنعتی و حدود ۲۴۰۰ برابر سریع‌تر از دستگاه‌های آزمایشی نمک‌زدایی مبتنی بر نانولوله‌های کربنی عمل کرد. همچنین با توجه به طول عمر غشا‌ها و هزینه‌های عملیاتی پایین آنها، هزینه کلی انرژی بسیار کمتر از روش‌های فعلی خواهد بود. ما همچنین در حال بررسی این هستیم که آیا می‌توان غشا‌های مشابهی برای کاهش دی اکسید کربن یا سایر آلودگی‌های نامطلوب منتشر شده توسط صنعت، ساخت یا خیر.»