راه پر بازده‌تر برای تبدیل آب شور به آب آشامیدنی

 | تاریخ ارسال: ۱۳۹۸/۱۰/۲۲ | 
راه پر بازده­تر برای تبدیل آب شور به آب آشامیدنی

کمبود آب یک مشکل اساسی در سراسر جهان است. امیر براتی فریمانی، استادیار مهندسی مکانیک در دانشگاه کارنگی ملون، می­گوید: "این مسئله تمام قاره را تحت تأثیر قرار می­دهد." و "چهار میلیارد نفر حداقل در یک ماه از سال تحت شرایط کمبود شدید آب زندگی می­کنند. نیمی از یک میلیارد نفر در طول سال با کمبود شدید آب زندگی می­کنند." با این وجود، وقتی مردم بدون دسترسی به آب آشامیدنی سالم در حال تقلا هستند، اقیانوس­هایی از آب غیر قابل آشامیدن در خارج از محدوده­ی آن­ها وجود دارد. وی می­گوید: "71٪ از سطح جهان پوشیده از آب دریا است و این یک تضاد بسیار جالب است. "
برای مقابله با این مشکل، براتی فریمانی پژوهش­های خود را در زمینه­ی آب شیرین­کن متمرکز کرده­است. این فرآیندی است که در آن آب شور دریا می­تواند به آب شیرین تبدیل شود. برای شیرین کردن آب راه­های زیادی وجود دارد، اما آب شیرین­ کن غشایی یکی از مؤثرترین­ ها است. در این روش، آب از طریق یک غشا نازک با سوراخ ­های ریز با فشار وارد می­ شود. آب در حفره­ ها جاری می ­شود اما یون­ های نمکی نمی­توانند، بنابراین در آن طرف فقط آب شیرین باقی می­ماند.
 وی در جدیدترین پژوهش ­های خود، پتانسیل نوع جدیدی از غشاها به نام چارچوب فلزی-آلی (MOF)را مورد بررسی قرار داده­است. او می­گوید: "این غشاها از هر دو مرکز فلزی و ترکیب آلی تشکیل شده­اند." ترکیب آلی و فلز در یک الگوی پنج ضلعی متصل می­شوند و سوراخی در مرکز ایجاد می­کنند که به عنوان منفذ عمل می کند. براتی فریمانی می­افزاید: "اگر به آن­ها نگاه کنید، آنها مانند لانه زنبور هستند."
چند دلیل مبنی بر مؤثرتر بودن این چارچوب وجود دارد: ۱) بسیار نازک است. این ضخامت به اندازه­ی چند اتم است که به معنی وجود اصطکاک بسیار کم هنگام عبور مولکول­های آب از درون منافذ است. ۲) قرار گیری منافذ به نفوذپذیری کمک می­کند. براتی فریمانی می­گوید: "هنگامی که منافذ مجاور ندارید، فشار زیادی از دیواره روی مولکول ­ها وارد می­شود." این امر باعث کارایی کمتر فرآیند شیرین کردن می­شود. برای درک دلیل، فقط تصور کنید که آب را درون یک قیف می­ریزید. در انتها آب آهسته­تر از سوراخ حرکت می­کند زیرا به دیوارها فشار داده می­شود و مجبور به حرکت در یک فضای کوچک می­شود. از طرف دیگر MOF دارای تخلخل متعدد مجاوری است. وی می­گوید: "هیچ فشاری از طرف دیوار وجود ندارد و این مسئله به آن­ها فرصت می­دهد تا راحت­تر از درون منافذ عبور کنند." تصور کنید که این بار آب را از طریق صافی بریزید، خیلی سریع­تر حرکت می ­کند، زیرا دارای چندین نقطه خروجی است که می تواند از آن عبور کند. 3) MOF از ساختاری بیشتری نسبت به سایر مواد برخوردار است. در بیشتر مواد، دانشمندان برای ایجاد تخلخل مورد نیاز مجبور به ایجاد سوراخ­های ریز هستند که مقدار ایجاد شده را برحسب مساحت سطح محدود می­کند. او می گوید: "اگر می خواهید منافذ زیادی ایجاد کنید، گرافن یا MoS2 نمی­توانند این کار را انجام دهند زیرا از لحاظ ساختاری نمی­توانند فشار را تحمل کنند." اما به لطف ساختار لانه زنبوری، MOF ذاتاً متخلخل است. این باعث ایجاد نسبت بالاتری از تخلخل به مساحت سطح می شود. همچنین باعث صرفه جویی در وقت و انرژی می­شود، زیرا منافذ لازم نیست که ایجاد شوند یا حتی اندازه آن ها تنظیم شوند.
تفاوت بین MOF و سایر غشاهای معمولی قابل توجه است، هم از نظر میزان سرعت عبور آب و هم تعداد یون­هایی که عبور نمی­کنند. این فقط به شبیه سازی چند منافذ می­پردازد. یک گیاه آب شیرین ­کن می­تواند میلیارد­ها تخلخل داشته باشد و بهره وری آن را به صورت نمایی بالا می­برد. وی می­گوید: "در مقیاس یک عملیات بزرگ، بسیار زیاد خواهد بود و حتی افزایش اندک بهره­وری به معنای جهشی بزرگ است. "
مقاله براتی فریمانی در مورد پژوهش خود درNano Letters ، یک ژورنال علمی ماهانه توسط انجمن شیمی آمریکا منتشر شد. این امر به گفتگوی فزاینده­ای درباره آب شیرین­ کن اضافه می­کند و گامی مهم در این زمینه است. علاوه بر دنیای دانشگاهیان، وی امیدوار است که پژوهش­های وی بتواند در زندگی افراد تأثیر بگذارد. او می گوید: "ما باید برای بسیاری از افراد محروم مانند مردم آفریقا یا دیگر مناطق آب شیرین تأمین کنیم. اساساً این ماموریت ماست، آن را به نحوی از نظر انرژی کارآمد کنیم که در همه جا آب شیرین کن داشته باشیم. "

منبع: https://nano-magazine.com/news/2019/12/13/a-more-efficient-way-to-turn-saltwater-into-drinking-water
گردآورندگان: دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی