علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Harvesting Water From Desert Air: MIT’s Revolutionary Superabsorbent Hydrogel
(JENNIFER CHU, MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY – بقلم: جينيفر تشو)
ملخص المقالة:
قام مهندسو معهد ماساتشوستس للتقنية بتصنيع مادة فائقة الامتصاص من مادة هيدروجيل، يمكنها امتصاص كمية قياسية من الرطوبة من الهواء، حتى في الظروف الشبيهة بالصحراء. وقد عزز فريق المهندسين امتصاص الهيدروجيل عن طريق نقعه مع كلوريد الليثيوم – وهو نوع من الملح المعروف بأنه مادة مجففة قوية. ونظرًا لأن المادة المصنعة تمتص بخار الماء، يمكن أن تنتفخ لإفساح المجال لمزيد من الرطوبة. وحتى في الظروف الجافة جدًا، مع 30 في المائة من الرطوبة النسبية، يمكن للمادة أن تسحب البخار من الهواء وتحتجز الرطوبة دون تسريب. ويمكن بعد ذلك تسخين المياه وتكثيفها، ثم جمعها كمياه عالية النقاء.
( المقالة )
مادة جديدة طورها مهندسو معهد ماساتشوستس للتقنية لها خاصية امتصاص البخار “ذات كفاءة لا سابقة لها” .
قام مهندسو معهد ماساتشوستس للتقنية بتصنيع مادة فائقة الامتصاص يمكنها امتصاص كمية قياسية من الرطوبة من الهواء، حتى في الظروف الشبيهة بالصحراء.
ونظرًا لأن المادة تمتص بخار الماء، يمكن أن تنتفخ لإفساح المجال لمزيد من الرطوبة. وحتى في الظروف الجافة جدًا، مع 30 في المائة من الرطوبة النسبية، يمكن للمادة أن تسحب البخار من الهواء وتحتجز الرطوبة دون تسريب. ويمكن بعد ذلك تسخين المياه وتكثيفها، ثم جمعها كمياه عالية النقاء.
وقد وجد الباحثون أن بإمكانهم نقع الهيدروجيل بكمية من الملح أكثر مما كان ممكنًا في الدراسات السابقة. ونتيجة لذلك، لاحظوا أن الهلام المحمّل بالملح يمتص ويحتفظ بكمية غير مسبوقة من الرطوبة، عبر مجموعة من مستويات الرطوبة، بما في ذلك الظروف الجافة جدًا التي حدت من تصميمات المواد الأخرى.
وإذا أمكن تصنيعه بسرعة وعلى نطاق واسع، يمكن استخدام الهلام الفائق الامتصاص كحاصد سلبي للماء، لا سيما في المناطق الصحراوية والمناطق المعرضة للجفاف، حيث يمكن للمادة أن تمتص البخار باستمرار، ويمكن بعد ذلك تكثيفه الى مياه الشرب. ويتصور الباحثون أيضًا أن المادة يمكن أن تكون مناسبة لوحدات تكييف الهواء كعنصر موفر للطاقة ومزيل للرطوبة.
ويقول الباحث كارلوس دياز مارين، طالب دراسات عليا في الهندسة الميكانيكية وعضو في مختبر أبحاث الأجهزة في معهد ماساتشوستس للتقنية: “لقد كنا حياديي تطبيق، بمعنى أننا نركز في الغالب على الخصائص الأساسية للمادة”. ويتابع: “لكننا الآن نستكشف مشاكل مختلفة على نطاق واسع مثل كيفية جعل تكييف الهواء أكثر كفاءة وكيف يمكنك حصاد الماء. هذه المادة، بسبب تكلفتها المنخفضة وأدائها العالي، لديها الكثير من الإمكانات”.
ونشر الباحث دياز مارين وزملاؤه نتائجهم في ورقة بحثية نُشرت مؤخرًا في مجلة “ادفانس ماتيريالز” (Advanced Materials). والمؤلفون المشاركون في الدراسة من معهد ماساتشوستس للتقنية هم الدكتور غوستاف غرايبر وليون غوغلر ويانغ زونغ والدكتور بشير الفيل والدكتورة شينيوي ليو والبروفيسور إيفلين وانغ.
“أفضل ما في العالمَين”
في مختبر أبحاث الأجهزة التابع لمعهد ماساتشوستس للتقنية، يصمم الباحثون مواد جديدة لحل تحديات الطاقة والمياه في العالم. وفي البحث عن المواد التي يمكن أن تساعد في حصد الماء من الهواء، ركز الفريق على الهيدروجيل (الهلاميات المائية) – وهي مواد هلامية زلقة قابلة للتمدد مصنوعة في الغالب من الماء وقليلًا من البوليمر المتماسك. وتم استخدام الهيدروجيل لسنوات كمادة ماصة في الحفاضات لأنها يمكن أن تنتفخ وتمتص كمية كبيرة من الماء عندما تتلامس مع المادة.
“كان سؤالنا، كيف يمكننا أن نجعل هذا العمل أيضا يمتص البخار من الهواء؟” الباحث دياز مارين يقول.
وقد بحث هو وزملاؤه في الأدبيات ووجدوا أن آخرين قد جربوا خلط الهيدوجيل بأملاح مختلفة. وتعتبر أملاح معينة، مثل الملح الصخري المستخدم في إذابة الجليد، فعالة للغاية في امتصاص الرطوبة، بما في ذلك بخار الماء. وأفضلها هو كلوريد الليثيوم، وهو ملح قادر على امتصاص أكثر من 10 أضعاف كتلته من الرطوبة.
وإذا تُرك كلوريد الليثيوم في كومة من تلقاء نفسه، فقد يجذب بخارًا من الهواء، على الرغم من أن الرطوبة ستتجمع حول الملح فقط، دون أي وسيلة للاحتفاظ بالماء الممتص.
لذلك، حاول الباحثون ضخ الملح في هيدروجيل – لإنتاج مادة يمكنها الاحتفاظ بالرطوبة والانتفاخ لاستيعاب المزيد من الماء.
ويقول الدكتور غرايبر، وهو الآن باحث رئيسي في جامعة هومبولت في برلين: “إنه أفضل ما في العالمين”. ويضيف: “يمكن للهيدروجيل أن يخزن الكثير من الماء، ويمكن للملح أن يلتقط الكثير من البخار. لذلك من البديهي أنك تريد الجمع بين الاثنين”.
وقت التحميل
لكن فريق معهد ماساتشوستس للتقنية وجد أن الآخرين وصلوا إلى حدٍ لكمية الملح التي يمكنهم تحميلها في المواد الهلامية. وكانت أفضل العينات أداءً حتى الآن هي الهيدوجيل التي تم غمرها بـ 4 إلى 6 جرامات من الملح لكل جرام من البوليمر. وتمتص هذه العينات حوالي 1.5 جرام من البخار لكل جرام من المادة في ظروف جافة بنسبة 30 في المائة من الرطوبة النسبية.
وفي معظم الدراسات، كان الباحثون قد صنعوا عينات سابقًا عن طريق نقع الهيدروجيل في ماء مالح وانتظار تسرب الملح في المواد الهلامية. وانتهت معظم التجارب بعد 24 إلى 48 ساعة، حيث وجد الباحثون أن العملية كانت بطيئة للغاية، ولم يكن هناك الكثير من الملح في المواد الهلامية. وعندما اختبروا قدرة المادة الناتجة على امتصاص بخار الماء، امتصت العينات القليل جدًا، حيث احتوت على القليل من الملح لامتصاص الرطوبة في المقام الأول.
فماذا سيحدث إذا سُمح بتركيب المواد، على سبيل المثال، لأيام وحتى لأسابيع؟ هل يستطيع الهيدروجيل امتصاص المزيد من الملح إذا مُنح وقتًا كافيًا؟
وللحصول على إجابة، أجرى فريق معهد ماساتشوستس للتقنية تجارب على بولي أكريلاميد (هيدروجيل شائع) وكلوريد الليثيوم (ملح فائق الامتصاص). وبعد تصنيع أنابيب الهيدروجيل من خلال طرق الخلط القياسية، قام الباحثون بتقطيع الأنابيب إلى أقراص رفيعة وإلقاء كل قرص في محلول من كلوريد الليثيوم بتركيز ملح مختلف. وأخذوا الأقراص من المحلول كل يوم لوزنها وتحديد كمية الملح التي تم ضخها في المواد الهلامية، ثم أعادوها إلى محاليلها.
وفي النهاية، وجدوا أن الهيدروجيل تمتص مزيدًا من الملح مع منحها المزيد من الوقت. وبعد النقع في محلول مالح لمدة 30 يومًا، تم دمج الهيدوجيل حتى 24 غرام، مقابل الرقم القياسي السابق البالغ 6 جرامات من الملح لكل جرام من البوليمر.
ثم وضع عينات مختلفة من المواد الهلامية المحملة بالملح من خلال اختبارات الامتصاص عبر مجموعة من ظروف الرطوبة. ووجدوا أن العينات يمكن أن تنتفخ وتمتص المزيد من الرطوبة في جميع مستويات الرطوبة دون تسريب. وعلى وجه الخصوص، أفاد الفريق أنه في ظروف جافة جدًا بنسبة 30 في المائة من الرطوبة النسبية، استحوذت المواد الهلامية على 1.79 جرامًا من الماء لكل جرام من المادة.
ويقول الباحث دياز مارين، الذي يبحث الآن عن طرق لتسريع خصائص المادة فائقة الامتصاص: “أي صحراء أثناء الليل سيكون لديها تلك الرطوبة النسبية المنخفضة، لذلك يمكن تصور أن هذه المادة يمكن أن تولد المياه في الصحراء”.
ويقول الدكتور غرايبر: “كانت المفاجأة الكبيرة غير المتوقعة أننا، مع مثل هذا النهج البسيط، تمكنا من الحصول على أعلى امتصاص للبخار تم الإبلاغ عنه حتى الآن”. ويتابع: “الآن، سيكون التركيز الرئيسي على الخواص الحركية ومدى السرعة التي يمكننا بها الحصول على المواد لامتصاص الماء. سيسمح لك ذلك بتدوير هذه المادة بسرعة كبيرة، بحيث بدلاً من استعادة المياه مرة واحدة في اليوم، يمكنك جمع الماء ربما 24 مرة في اليوم”.
*تمت الترجمة بتصرف
المرجع: “Extreme Water Uptake of Hygroscopic Hydrogels through Maximized Swelling-Induced Salt Loading” by Gustav Graeber, Carlos D. Díaz-Marín, Leon C. Gaugler, Yang Zhong, Bachir El Fil, Xinyue Liu and Evelyn N. Wang, 18 May 2023, Advanced Materials.
DOI: 10.1002/adma.202211783
ملاحظة: تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل مكتب الولايات المتحدة لكفاءة الطاقة والطاقة المتجددة والمؤسسة السويسرية الوطنية للعلوم.
المصدر:
