غزال زیاری: محققان آمریکایی موفق به ساخت الکترودهای پارچه‌ای کربنی شده‌اند که می‌تواند به شیوه‌ای مؤثر عنصر بور را از آب دریا حذف کند و بدین ترتیب این شیوه، می‌تواند جایگزین استفاده از مواد شیمیایی پرهزینه در نمک‌زدایی شود.
نحوه کار بدین ترتب است که الکترودها با تبدیل مولکول‌ها به یون، بور را از آب شیرین شده حذف می‌کنند. یون‌های هیدروکسید به بور متصل شده و به الکترودهای مثبت می‌چسبند و بدین ترتیب آب آشامیدنی ایمن‌تری از آب‌شور دریا به دست خواهد آمد.
این موفقیت، حاصل تلاش تیمی از مهندسان دانشگاه میشیگان (UM) و دانشگاه رایس است و از پیشرفتی حیاتی در ایمن‌سازی آب دریا برای آشامیدن خبر می‌دهد.
ویی پان، محقق فوق دکترا در دانشگاه رایس و از نویسندگان این مطالعه دراین‌باره توضیح داد: «دستگاه ما نیازهای انرژی و شیمیایی نمک‌زدایی از آب دریا را کاهش می‌دهد و درعین‌حال پایداری زیست‌محیطی بالایی دارد و به‌علاوه برای هر مترمکعب آب تصفیه‌شده، هزینه‌ها تا ۱۵ درصد (حدود ۲۰ سنت) کاهش خواهد یافت.»
حذف مؤثر بور از آب دریا
بور، یکی از اجزای طبیعی آب دریاهاست که با عبور از فیلترهای نمک‌زدایی معمولی، به یک آلاینده سمی در آب آشامیدنی تبدیل می‌شود. سطح بور در آب دریا، اغلب فراتر از حد مجاز اعلام‌شده توسط سازمان بهداشت جهانی برای آب آشامیدنی سالم است و حتی میزان آن از حد تحمل بسیاری از گیاهان کشاورزی نیز بیشتر است.
بور در آب دریا به‌عنوان اسید بوریک خنثی وجود دارد که از فیلترهایی که برای دفع ذرات باردار طراحی‌شده‌اند عبور می‌کند و از همین رو محققان در تلاش برای حذف بور، از غشاهای اسمز معکوس معمولی بهره می‌بردند.
جیووان کامسو، استادیار مهندسی شیمی و علوم و مهندسی ماکرو مولکولی دانشگاه میشیگان و یکی از نویسندگان مقاله گفت: «ما فناوری جدیدی را توسعه دادیم که نسبتاً مقیاس‌پذیر است و می‌تواند بور را با مصرف انرژی کمتری در مقایسه با برخی از فناوری‌های معمول حذف کند.»
در شرایط فعلی کارخانه‌های نمک‌زدایی برای حل این مشکل، معمولاً از پایه‌ای استفاده می‌کنند تا اسید بوریک را به شکل بار منفی تبدیل می‌کند. پس از حذف این بور باردار در مرحله دوم اسمز معکوس، باز با استفاده از اسید خنثی می‌شود که هزینه این روش بسیار بالاست.
اما دستگاه جدید، فرآیند را ساده کرده و نیاز به مواد شیمیایی و انرژی اضافی را کاهش می‌دهد. این نوآوری، پایداری زیست‌محیطی را افزایش داده و هزینه‌ها را تا ۱۵ درصد (حدود ۲۰ سنت در هر مترمکعب آب تصفیه‌شده) کاهش می‌دهد.
راه‌حل‌هایی برای تأمین آب پایدار
ظرفیت جهانی نمک‌زدایی در سال ۲۰۱۹ به حدود ۹۵ میلیون مترمکعب در روز رسید و بهره‌گیری از غشاهای جدید طراحی‌شده برای حذف بور می‌تواند تقریباً ۶.۹ میلیارد دلار در سال صرفه‌جویی کنند. اعضای این تیم به این نکته اشاره‌کرده‌اند که به‌کارگیری این تأسیسات در مقیاس بزرگ، مثل کارخانه‌های آب‌شیرین‌کن باعث صرفه‌جویی میلیون‌ها دلار در سال خواهد شد.
در کنار کاهش هزینه‌ها، با این شیوه آب دریا، به منبع آب آشامیدنی بادوام‌تری تبدیل خواهد شد و به تلاش‌ها برای کنترل بحران جهانی آب کمک بزرگی خواهد نمود. چرا که طبق پیش‌بینی کمیسیون جهانی اقتصاد آب در سال ۲۰۳۰، منابع آب شیرین تنها ۴۰ درصد تقاضاها را تأمین خواهد کرد.
در این متد نوآورانه، الکترودهای پیشرفته بور را در منافذ پوشیده از ساختارهای حاوی اکسیژن به دام می‌اندازند. اکسیژن‌ها به شیوه خاصی به بور متصل می‌شوند و به یون‌های دیگر اجازه عبور می‌دهند و بدین ترتیب بور را به شکل مؤثری حذف می‌کنند. بااین‌حال، بور باید دارای بار منفی باشد تا به مکان‌های جذب بچسبد.
الکترودها به‌جای واردکردن یک پایه شیمیایی برای القای بار، با تقسیم آب بین دولایه، یون‌های مثبت هیدروژن و منفی هیدروکسید را ایجاد می‌کنند. هیدروکسید بااتصال به بور، بار موردنیاز برای چسبیدن به الکترود مثبت را فراهم می‌کند. این روش با حذف نیاز به مرحله دوم اسمز معکوس، هزینه‌ها و مصرف انرژی را کاهش می‌دهد.
پس از حذف بور، یون‌های هیدروژن و هیدروکسید دوباره با هم ترکیب می‌شوند تا آبی خنثی و بدون بور ایجاد شود و با روشی پایدار و مؤثر، نمک‌زدایی آب‌های شور انجام می‌گردد.
مناخم الیملک، استاد مهندسی عمران و محیط‌زیست و مهندسی شیمی و زیست مولکولی دانشگاه رایس و نویسنده مسئول این مطالعه گفت: «مطالعه ما یک پلتفرم همه‌کاره ارائه می‌دهد که با بهره‌گیری از تغییرات pH می‌تواند آلاینده‌های دیگری مثل آرسنیک را به اشکال قابل‌حذف شدن تبدیل کند.»
به‌علاوه گروه‌های عملکردی روی الکترود را نیز می‌توان تغییر داد تا به‌طور خاص با آلاینده‌های مختلف متصل شده و تصفیه آب باانرژی کارآمدتری را ممکن می‌سازند.
منبع: interestingengineering
۵۸۳۲۱
