معهد مصدر يجري بحثاً لتسريع توظيف الجرافين في تطوير أغشية عالية الكفاءة

أعلن اليوم معهد مصدر للعلوم والتكنولوجيا، عن التوصل إلى نتائج بحثية مهمة تفيد في تسريع عملية توظيف مادة الجرافين في تطوير أغشية أكثر كفاءة، وذلك بهدف تعزيز فاعلية واستدامة عمليات تنقية وتحلية المياه. ويندرج معهد مصدر ضمن جامعة خليفة للعلوم والتكنولوجيا.

وأجرى البحث فريق من باحثي معهد مصدر تحت قيادة الدكتورة ليندا زو، أستاذة في البنية التحتية المدنية والهندسة البيئية، حيث عملوا على تطوير أغشية مصنوعة من رقاقات أكسيد الجرافين، القادرة على احتجاز أيونات الملح خلال عملية تحلية مياه البحر.

وتوفر تحلية مياه البحر 80 بالمئة من المياه العذبة في دولة الإمارات، وهي عملية مكلفة وتستهلك مقداراً كبيراً من الطاقة. ونظراً لذلك، هناك حاجة ماسة لتطوير تقنيات فعالة ومستدامة تسهم في خفض التكلفة الاقتصادية والبيئية لتحلية المياه. وتعد الأغشية المصنوعة من مادة الجرافين إحدى هذه التقنيات التي يمكن أن تحقق انخفاضاً كبيراً في هذه التكلفة.

ويعتبر الجرافين مادة نانوية خفيفة الوزن وأنحف بمقدار 100 ألف ضعف من قطر شعرة الرأس، إضافة إلى اتسامها بالقوة والمتانة، ما يجعلها مادة مناسبة لتطوير جيل جديد من أغشية تحلية المياه يكون أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة ومراعاة للبيئة. ويكتسب الجرافين أهمية تجارية متزايدة في مجال تنقية المياه، حيث تتوقع مؤسسة الأبحاث "لوكس ريسيرتش" أن تبلغ القيمة السنوية لهذا السوق 300 مليون دولار بحلول عام 2025.

وقد جرى خلال هذا المشروع البحثي تطوير أغشية مصنوعة من عدة طبقات من رقاقات نحيفة من أكسيد الجرافين المخفف، بحيث تعمل الفراغات الفاصلة بين الرقاقات على تعزيز كفاءة الأغشية من خلال قدرتها على تنقية المياه من الشوائب مثل أيونات الأملاح التي قد تعيق مرور جزيئات المياه. لكن يجب أن يتم تحديد مقدار هذه الفراغات الفاصلة بدقة تامة، بحيث لا تكون كبيرة فتسمح بمرور أيونات الأملاح، ولا تكون صغيرة بحيث تمنع مرور المياه. لذلك يعتبر ذلك من أصعب التحديات التي تعترض تطوير مثل هذا النوع من الأغشية.

وحسب دراسات سابقة، تتراوح المسافة الفاصلة بين 0.6 و0.7 نانومتر. ونظراً لضيق هذا المجال، فإن أي اختلاف بسيط يمكن أن يؤثر بشكل كبيرة على كفاءة عمل الأغشية. وتعتقد الدكتورة ليندا أن من شأن بحثها توفير الأداة التي تتيح للعلماء تعديل المسافات الفاصلة بين رقاقات الجرافين بشكل أفضل.

وقد اعتمد الفريق البحثي على "مجهر القوة الذرية" لفحص حواف رقاقات الجرافين لتحديد المقدار الأمثل للمسافات الفاصلة بينها. وقاموا بعد ذلك بالاعتماد على هذه المقاييس وإجراء تحليل إحصائي لتحديد العلاقة بين كمية المادة الكيميائية الوسيطة المستخدمة في تخفيف أكسيد الجرافين وصناعة هذه الرقاقات، وبين مقدار المسافة الفاصلة بين الرقاقات. وقد نشر الفريق البحثي مقالة علمية حول هذا البحث في نسخة 12 يوليو 2017 من المجلة العلمية المحكّمة (ACS Applied Materials and Interfaces).

وقال الدكتور ستيف غريفيث، نائب الرئيس للأبحاث المكلف في جامعة خليفة للعلوم والتكنولوجيا: "تتضمن الأجندة البحثية الرئيسية لمعهد مصدر العمل على تطوير تقنيات تسهم في خفض استهلاك الطاقة في عمليات تحلية المياه من خلال توظيف مواد متقدمة مثل الجرافين. ويعتبر هذا الجهد البحثي الذي قامت به الدكتورة ليندا زو وفريقها خطوة مهمة على طريق تطوير تقنيات منخفضة التكلفة ومستدامة وأكثر مراعاة للبيئة، للمساهمة في تلبية الحاجة المتزايدة للمياه النظيفة في الإمارات والعالم."

وتقود الدكتورة زو أيضاً مشروعاً بحثياً مشتركاً مع جامعة مانشستر، التي اكتشفت مادة الجرافين، يهدف إلى توظيف الجرافين في صناعة أغشية لتحلية المياه وفق أسلوب التبادل الغشائي الكهربائي والتبادل الأيوني.

ويعدّ تطوير تقنيات فعالة ومستدامة في مجال إنتاج المياه العذبة من التحديات المهمة والملحّة التي تواجه العالم حالياً. وانطلاقاً من ذلك، يقوم عدد من الفرق البحثية في معهد مصدر بأبحاث تركز على تطوير الجيل القادم من تقنيات تحلية وتنقية المياه اللازمة لخفض تكلفة إنتاج المياه العذبة وجعلها أكثر مراعاة للبيئة.