پژوهشگران دانشگاه دامغان با همکاری محققانی از چین با بهرهگیری از فناوری نانو و مهندسی غشا، موفق به توسعه نوعی غشای اولترافیلتراسیون شدهاند که میتواند همزمان آلایندههای شیمیایی و میکروبی را از آب حذف کند. این غشاهای نوین که بر پایه پلیوینیل کلراید و با استفاده از نانوساختارهای فلزی-آلی اصلاحشده با گروههای آمینی طراحی شدهاند، عملکرد بهتری نسبت به نمونههای متداول از خود نشان دادهاند. افزایش چشمگیر تخلخل، بهبود آبدوستی و ارتقای شار عبوری آب از جمله ویژگیهای کلیدی این فناوری است. علاوه بر این، غشاهای جدید توانستهاند در حذف ترکیباتی مانند اسید هیومیک و رنگهای صنعتی عملکرد قابلقبولی داشته باشند و همزمان خاصیت ضدباکتریایی نیز ارائه دهند. این دستاورد میتواند گامی مؤثر در توسعه سامانههای تصفیه آب کارآمد، کمهزینه و پایدار بهشمار رود.
غشاهای نانویی جدید برای تصفیه آب؛ ترکیب MOF و PVC به کمک محیطزیست آمد
دسترسی به آب سالم، برخلاف تصور سادهاش، یکی از پیچیدهترین چالشهای قرن حاضر است. ورود آلایندههای آلی، بهویژه رنگهای صنعتی، و همچنین حضور باکتریهای بیماریزا در منابع آبی، کیفیت آب را بهشدت تهدید میکند. در چنین شرایطی، پژوهشگران دانشگاه دامغان با توسعه نوعی غشای پیشرفته، گامی مهم در جهت بهبود کارایی سیستمهای تصفیه آب برداشتهاند؛ غشایی که همزمان توان حذف آلایندههای شیمیایی و مقابله با آلودگیهای میکروبی را دارد.
روشهای متداول تصفیه آب، اگرچه در بسیاری از موارد کارآمد هستند، اما اغلب با محدودیتهایی مانند مصرف انرژی بالا، هزینههای عملیاتی قابلتوجه و کارایی محدود در حذف برخی آلایندههای محلول مواجهاند. در این میان، فناوری غشاهای اولترافیلتراسیون بهدلیل سادگی، مصرف انرژی کمتر و عملکرد مناسب، مورد توجه قرار گرفته است. با این حال، این غشاها نیز با چالشهایی نظیر گرفتگی (fouling)، کاهش شار عبوری و نبود خاصیت ضدباکتریایی ذاتی روبهرو هستند. همین محدودیتها، ضرورت توسعه نسل جدیدی از غشاهای چندمنظوره را برجسته کرده است.
در پژوهش حاضر، محققان با تمرکز بر بهبود عملکرد غشاهای پلیمری، اقدام به طراحی غشاهای اولترافیلتراسیون بر پایه پلیوینیل کلراید (PVC) کردهاند که با استفاده از نانوساختارهای پیشرفته تقویت شدهاند. بخش کلیدی و نانویی این پژوهش، استفاده از چارچوبهای فلزی-آلی یا همان MOFها است؛ ساختارهایی در مقیاس نانو که بهدلیل سطح ویژه بالا، تخلخل قابلتنظیم و قابلیت اصلاح شیمیایی، بهعنوان یکی از امیدبخشترین مواد در حوزه تصفیه آب شناخته میشوند.
در این مطالعه، از نوعی MOF موسوم به MIL-101 که با گروههای عاملی آمینی (–NH₂) اصلاح شده، استفاده شده است. این نانوساختارها درون ماتریس پلیمری PVC و از طریق روش «وارونگی فاز» پراکنده شدهاند تا غشاهایی موسوم به «غشاهای ماتریس آمیخته» (Mixed-Matrix Membranes) ایجاد شود. حضور این نانوذرات، نقش تعیینکنندهای در بهبود ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی غشا ایفا میکند.
برای بررسی ساختار و عملکرد این غشاها، از مجموعهای از روشهای آنالیزی پیشرفته شامل طیفسنجی مادون قرمز (FTIR)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و اندازهگیری زاویه تماس استفاده شده است. نتایج این آزمونها نشان میدهد که افزودن MOFهای آمیندار، باعث افزایش قابلتوجه آبدوستی (هیدروفیلیسیته) غشا، بهبود تخلخل و افزایش ظرفیت جذب آب شده است.
بهطور مشخص، میزان تخلخل غشاها تا حدود ۸۵ درصد و جذب آب تا نزدیک ۸۰ درصد افزایش یافته است. این بهبود ساختاری، تأثیر مستقیمی بر عملکرد غشا داشته و موجب افزایش شار عبوری آب شده است. در بهترین نمونهها، یعنی غشاهای M2 مبتنی بر کروم و آلومینیوم، شار عبوری آب خالص به حدود ۵۳۴ و ۵۲۶ لیتر بر مترمربع بر ساعت رسیده است؛ در حالی که این مقدار برای غشای PVC خالص تنها حدود ۲۷۶ لیتر بر مترمربع بر ساعت گزارش شده است. این افزایش چشمگیر، نشاندهنده نقش مؤثر نانوساختارهای MOF در بهینهسازی عملکرد غشا است.
از منظر حذف آلایندهها نیز، این غشاها عملکرد قابلقبولی از خود نشان دادهاند. نتایج نشان میدهد که این سامانه قادر است حدود ۷۰ تا ۸۰ درصد اسید هیومیک (بهعنوان نماینده مواد آلی طبیعی)، حدود ۲۹ درصد رنگ متیل اورنج و نزدیک به ۴۷ درصد متیلن بلو را حذف کند. این عملکرد، ناشی از ترکیب دو مکانیسم اصلی یعنی غربالگری اندازهای (size exclusion) و برهمکنشهای الکترواستاتیکی میان غشا و آلایندهها است.
یکی دیگر از چالشهای مهم در غشاهای تصفیه آب، پدیده گرفتگی و کاهش کارایی در طول زمان است. در این پژوهش، غشاهای اصلاحشده با MOF توانستهاند مقاومت بهتری در برابر گرفتگی نشان دهند. نسبت بازیابی شار (FRR) در این غشاها به حدود ۵۱ تا ۵۲ درصد رسیده که نشاندهنده قابلیت تمیزشوندگی بهتر و افزایش طول عمر عملکردی آنها نسبت به غشاهای معمولی است.
از جنبه زیستی نیز، این غشاها عملکرد قابلتوجهی داشتهاند. آزمونهای آنتیباکتریال نشان میدهد که غشاهای حاوی MIL-101–NH₂ بر پایه آلومینیوم، طیف وسیعتری از فعالیت ضدباکتریایی را در برابر باکتریهای گرم مثبت و گرم منفی از جمله E. coli، S. aureus و S. enteritidis نشان میدهند. در مقابل، نمونههای مبتنی بر کروم، اثر انتخابیتری داشته و عمدتاً بر برخی گونهها مانند E. coli و B. subtilis مؤثر بودهاند. این تفاوت عملکرد، به ویژگیهای شیمیایی سطح، حضور سایتهای فعال و نحوه آزادسازی یونهای فلزی در محیط مرتبط دانسته میشود.
با این حال، پژوهشگران تأکید میکنند که افزایش بیش از حد میزان نانوذرات MOF میتواند به تجمع ذرات و ایجاد نقص در ساختار غشا منجر شود که در نهایت عملکرد را کاهش میدهد. بنابراین، کنترل دقیق میزان و نحوه پراکندگی این نانوساختارها در ماتریس پلیمری، از اهمیت بالایی برخوردار است.
در مجموع، این پژوهش نشان میدهد که ترکیب پلیمرهای متداول با نانوساختارهای پیشرفته MOF میتواند به تولید غشاهایی با عملکرد چندمنظوره، شامل نفوذپذیری بالا، گزینشپذیری مناسب و خاصیت ضدباکتریایی منجر شود. این دستاورد، مسیر جدیدی را برای توسعه سامانههای تصفیه آب کارآمدتر و پایدارتر، بهویژه در مواجهه با پسابهای صنعتی پیچیده، پیش روی محققان قرار میدهد.
برای دریافت مقاله مربوط به این پروژه، اینجا را ببینید
