تطوير الأنابيب النانوية الكربونية لتحلية المياه بكفاءة فائقة – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Carbon nanotubes developed for super efficient desalination
(بقلم: آن ستارك –  Anne M Stark)

أصبحت عمليات فصل الأغشية حاسمة للوجود البشري، مع عدم وجود مثال أفضل من تنقية المياه. ونظرًا لأن ندرة المياه أصبحت أكثر شيوعًا وبدأت المجتمعات في استنفاد المياه الرخيصة المتاحة، فإنها تحتاج إلى استكمال إمداداتها بالمياه المحلاة من مياه البحر ومصادر المياه قليلة الملوحة.

وقد ابتكر باحثو مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) [١] مسامَ أنابيب نانوية كربونية (CNT) تتسم بالكفاءة في إزالة الملح من الماء بحيث يمكن مقارنتها بأغشية تحلية المياه التجارية. ويبلغ قطر هذه المسام الصغيرة 0.8 نانومتر [٢] ، بالمقارنة مع قطر شعرة الإنسان الذي يبلغ 60 ألف نانومتر. ويظهر البحث [٣] على غلاف عدد 18 سبتمبر 2020 من مجلة تقدم العلوم (Science Advances).

وتستخدم التقنية السائدة لإزالة الملح من الماء، التناضح العكسي، مركب من الأغشية الرقيقة (Thin-film Composite TFC) لفصل الماء عن الأيونات الموجودة في تيارات التغذية المالحة. ومع ذلك، تظل بعض مشكلات الأداء الأساسية، فعلى سبيل المثال، فإن مركب الأغشية الرقيقة مقيد بمقايضات الانتقائية-النفاذية وغالبًا ما يكون لها رفض غير كافٍ لبعض الأيونات وأثر الملوثات الدقيقة، مما يتطلب مراحل تنقية إضافية تزيد من الطاقة والتكلفة.

وتوفر قنوات المياه البيولوجية، المعروفة أيضًا باسم الأكوابورينات (aquaporins) [٤]، مخططًا للهياكل التي يمكن أن توفر أداءً متزايدًا. ولديهم مسام داخلية ضيقة للغاية تقوم بضغط الماء إلى تكوين مُبْرَد أحاديا (single-file configuration) يتيح نفاذية عالية للغاية للمياه، مع معدلات نقل تتجاوز مليار جزيء ماء في الثانية من خلال كل مسام.

وقال أليكس نوي (Alex Noy)، الكيميائي في مختبر لورانس ليفرمور الوطني وأحد مؤلفي البحث: “تمثل الأنابيب النانوية الكربونية بعضًا من هياكل السقالات الواعدة لقنوات المياه الاصطناعية بسبب انخفاض احتكاك الماء على أسطحها الداخلية الملساء، والتي تحاكي قنوات المياه البيولوجية”.

وقد طور فريق العمل بورينات الانابيب النانونية الكربونية (CNT Porins) – أجزاء قصيرة من الأنابيب النانوية الكربونية التي تدخل ذاتيًا في أغشية المحاكاة الحيوية – والتي تشكل قنوات مائية اصطناعية تحاكي وظيفة قناة أكوابورين وترتيب المياه داخل القناة المُبْرَدة أحاديًا. ثم قام الباحثون بقياس انتقال أيون الماء والكلوريد من خلال بورينات الانابيب النانونية الكربونية بقطر 0.8 نانومتر باستخدام مقايسات قائمة على الاستشعاع. وأظهرت المحاكاة الحاسوبية والتجارب باستخدام مسام الانابيب النانونية الكربونية في الأغشية الدهنية آلية لتعزيز التدفق والرفض القوي للأيونات عبر القنوات الداخلية للأنابيب النانوية الكربونية.

وقال عالم المواد في مختبر لورانس ليفرمور الوطني والمؤلف المشارك الرئيسي (توان انه فام  – Tuan Anh Pham) ، الذي قاد جهود المحاكاة في الدراسة: “سمحت لنا هذه العملية بتحديد القيمة الدقيقة للانتقائية-النفاذية للماء والملح في مسام الانابيب النانونية الكربونية الضيقة”، وأضاف: “توفر عمليات المحاكاة الذرية عرضًا تفصيليًا للمقياس الجزيئي للمياه التي تدخل قنوات بورينات الانابيب النانونية الكربونية وتدعم قيم طاقة التنشيط”.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2020-09-carbon-nanotubes-super-efficient-desalination.html

لمزيد من المعلومات، مراجعة الورقة العلمية المنشورة في مجلة تقدم العلوم  (2020) لمؤلفها يوهاو لي .. وآخرين  (Yuhao Li et al) : “الانتقائية-النفاذية لأيونات الماء في الأنابيب النانوية الكربونية ضيقة القطر” (Water-ion permselectivity of narrow-diameter carbon nanotubes)   DOI:10.1126/sciadv.aba9966

الهوامش:

[١] مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) هو مرفق أبحاث اتحادي في مدينة ليفرمور، بولاية كاليفورنيا، الولايات المتحدة، وقد أسسته جامعة كاليفورنيا – بيركلي في عام 1952. وكان في الأصل فرعًا لمختبر لورانس بيركلي الوطني، وأصبح مختبرًا مستقلاً في عام 1971 وتم تعيينه مختبرًا وطنيًا في عام 1981. وهو ممول بشكل أساسي من قبل وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) ويديره ويشغله لورانس ليفرمور – الأمن القومي (LLNS) ، وهي شراكة من جامعة كاليفورنيا، بكتل، تكنولوجيات بي دبليو اكس  BWX Technologies ، AECOM ومعهد باتيل التذكاري (Battelle Memorial Institute) بالتعاون مع نظام جامعة تكساس إيه آند إم. وفي عام 2012 ، تم تسمية العنصر الكيميائي الاصطناعي “ليفرموريوم” (العنصر 116) باسم المختبر. (ويكيبيديا)

[٢] النانومتر (نانومتر) هو وحدة طول في النظام المتري ، تساوي واحد من المليار (مقياس قصير) من المتر (0.000000001 م). يمكن التعبير عن نانومتر واحد في الترميز العلمي كـ 1 × 10 م ، في التدوين الهندسي كـ 1 E 9 م ، وببساطة 1/1000000000 متر. (ويكيبيديا)

[٣] البحث: https://advances.sciencemag.org/content/6/38/eaba9966

[٤] الأكوابورينات (aquaporins) ، وتسمى أيضًا القنوات المائية، هي بروتينات قناة من عائلة أكبر من البروتينات الداخلية الرئيسية التي تشكل مسامًا في غشاء الخلايا البيولوجية، مما يسهل نقل الماء بين الخلايا بشكل أساسي. وتحتوي أغشية الخلايا لمجموعة متنوعة من البكتيريا والفطريات والخلايا الحيوانية والنباتية على أكوابورينات يمكن أن تتدفق من خلالها المياه بسرعة أكبر داخل وخارج الخلية أكثر من الانتشار من خلال طبقة ثنائية الفوسفوليبيد. ونظرًا لأن الأكوابورينات عادةً ما تكون مفتوحة دائمًا ومنتشرة في كل نوع من الخلايا تقريبًا، فإن هذا يؤدي إلى اعتقاد خاطئ بأن الماء يمر بسهولة عبر غشاء الخلية أسفل تدرج تركيزه. ويمكن أن يمر الماء عبر غشاء الخلية من خلال الانتشار البسيط لأنه جزيء صغير، ومن خلال التناضح، في الحالات التي يكون فيها تركيز الماء خارج الخلية أكبر من تركيز الداخل. ومع ذلك، نظرًا لأن الماء هو جزيء قطبي، فإن عملية الانتشار البسيطة هذه بطيئة نسبيًا، وتمر غالبية الماء عبر الأكوابورين. (ويكيبيديا)

[٥] البورين (porins) هو نوع من البروتين الغشائي الذي يشكل مسام بيتا عبر طبقة ثنائية الدهون. على عكس قنوات نقل البروتين الأخرى ، فإن المسام من البورينز كبيرة بما يكفي للسماح بالانتشار السلبي. نتيجة للقطر الكبير ، تتوسط البورنات عمومًا في انتشار المستقلبات الصغيرة ، مثل الأحماض الأمينية والسكريات والأيونات.