پژوهشگران با بررسی ساز و کار عبور آب از میان غشاء در مقیاس‌نانو، نشان دادند که چگونه می‌توان کارایی تصفیه آب در اسمز معکوس را بهبود داد.
چگونه کارایی غشا را در اسمز معکوس بهبود دهیم؟
تولید آب قابل آشامیدن با هزینه کم چشم‌انداز محققان دانشگاه تگزاس و پژوهشگران دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا است. غشاهای نمک‌زدایی، نمک و سایر مواد شیمیایی را از آب خارج می‌کند، این فرآیند برای سلامت جامعه بسیار مهم است و میلیاردها گالن آب برای کشاورزی، تولید انرژی و نوشیدن تصفیه می‌کند. این ایده ساده به نظر می‌رسد، آب شور را فشار دهید و آب تمیز از طرف دیگر بیرون می‌آید، اما این روش شامل پیچیدگی‌هایی است که دانشمندان هنوز سعی در درک آن دارند.
این تیم تحقیقاتی، با همکاری دوپونت واتر سلوژنز (DuPont Water Solutions)، جنبه مهمی از فرآیند رازآلود را تبیین کردند و راه را برای کاهش هزینه‌های تولید آب تمیز باز کردند. نتایج این پروژه در نشریه Science منتشر شده است.
محققان دریافتند غشاهای نمک‌زدایی از نظر تراکم و توزیع جرم یک‌دست نیستند، این امر می‌تواند عملکرد آنها را تضعیف کند. چگالی یکنواخت در مقیاس نانو عامل اصلی افزایش میزان آب تصفیه‌شده این غشاها است.
مانیش کومار، از محققان این پروژه می‌گوید: «غشاهای اسمز معکوس به‌طور گسترده برای تصفیه آب استفاده می‌شود، اما هنوز چیزهای زیادی در مورد آنها نمی‌دانیم. ما واقعاً نمی‌توانستیم بگوییم که چگونه آب از میان این غشاها حرکت می‌کند، بنابراین همه پیشرفت‌های ۴۰ سال گذشته در واقع در تاریکی انجام شده است.»
نتایج این پروژه افزایش بهره‌وری در غشاهای آزمایش شده بین ۳۰ تا ۴۰ نشان می‌دهد، به این معنی که این غشاها می‌توانند آب بیشتری را تصفیه کرده در حالی که به‌طور قابل توجهی انرژی کمتری مصرف می‌کنند. این دستاورد می‌تواند منجر به افزایش دسترسی به آب پاک و کاهش هزینه آب برای مصارف شخصی و صنعتی شود.
غشاهای اسمز معکوس با اعمال فشار به محلول شور از یک طرف کار می‌کنند. مواد معدنی در یک سوی غشاء باقی مانده در حالی که آب از آن عبور می‌کند. محققان می‌گویند گرچه این این فناوری کارآمدتر از فرآیندهای نمک‌زدایی غیر غشایی است، اما مقدار زیادی انرژی نیاز دارد و بهبود کارایی غشاها می‌تواند این بار را کاهش دهد.
انریکه گومز، استاد مهندسی شیمی در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا می‌گوید: «مدیریت آب شیرین در حال تبدیل شدن به یک چالش اساسی در سراسر جهان است. کمبودها، خشکسالی‌ها، به موازات افزایش تغییرات شدید الگوی آب و هوا، انتظار می‌رود این مشکل شدت بیشتری پیدا کند. وجود آب تمیز، به ویژه در مناطق با منابع کم، بسیار مهم است.»
هسته اصلی این پروژه زمانی کاشته شد که محققان مشاهده کردند که غشاءهای ضخیم‌تر نفوذپذیری بیشتری دارند. این تعجب‌آور بود زیرا بینش متداول این بود که ضخامت بیشتر، میزان جریان آب در غشاها را کاهش می‌دهد.
محققانی از دانشگاه ایالتی آیووا با استفاده از میکروسکوپ‌های الکترونیکی پیشرفته در آزمایشگاه، توصیف مواد سه‌بعدی ساختار غشا در مقیاس نانو را بررسی کردند. آنها مسیری را که آب از طریق آنها از میان این غشاها طی می‌کند را مدل‌سازی کردند.
