دستاورد نوین در فناوری آب: غشاهای پلی‌ایمید قابل بازیافت، تحولی در تصفیه فاضلاب و آب با شوری بالا

بحران جهانی کمبود آب به‌دلیل بی‌ثباتی اقلیم و نبود دسترسی کافی به منابع آب شیرین، به‌ویژه در کشورهایی با تنش آبی، شدت یافته است. نمک‌زدایی (Desalination) به‌عنوان یکی از راهکارهای کلیدی تأمین آب شیرین مطرح شده است، زیرا حجم آب دریاها فراوان است. بااین‌حال، روش‌های متداول نمک‌زدایی مانند اسمز معکوس (Reverse Osmosis) در تصفیه آب‌های با شوری زیاد نظیر شورابه‌های صنعتی فوق‌اشباع، جریان‌های شیمیایی غلیظ و آب تولیدی در صنایع نفت و گاز، با چالش‌های جدی مواجه‌اند. این جریان‌ها به‌طور مکرر موجب گرفتگی یا آسیب به غشاهای موجود می‌شوند و گزینه‌های اقتصادی و مؤثر برای تصفیه را محدود می‌سازند. در این میان، فرآیند تقطیر غشایی (Membrane Distillation – MD) که صرفاً اجازه عبور بخار از میان غشا را می‌دهد، به‌عنوان یک جایگزین امیدبخش برای جداسازی‌های پیچیده مطرح شده است.

نکات کلیدی خبر

• گسترش فناوری غشاهای پلی‌ایمید قابل بازیافت برای تصفیه آب با شوری بالا
• دستیابی به راندمان بیش از ۹۹٫۹٪ در حذف نمک از محلول‌های حاوی ۷۰،۰۰۰ ppm نمک
• حذف نیاز به افزودنی‌های شیمیایی در فرآیند تولید غشا و کاهش اثرات زیست‌محیطی
• به‌کارگیری هوش مصنوعی (Machine Learning) برای بهینه‌سازی فرآیند تقطیر غشایی
• چشم‌انداز استفاده صنعتی در نمک‌زدایی، پالایش شیمیایی، داروسازی و استخراج لیتیوم

بخش اول: نوآوری غشاهای پلی‌ایمید در تصفیه آب

پژوهشگران آزمایشگاه غشا برای آب و انرژی در دانشگاه نفت و مواد معدنی ملک فهد (King Fahd University of Petroleum & Minerals – KFUPM) در عربستان سعودی، نوع جدیدی از غشاهای پلی‌ایمیدی را برای فرآیند تقطیر غشایی (MD) طراحی کرده‌اند که سه مشکل اساسی در فناوری غشاهای معمولی را برطرف می‌کند: نیاز به مواد شیمیایی تشکیل‌دهنده منافذ، کاهش عملکرد ناشی از خیس‌شدگی و گرفتگی منافذ، و تضاد میان شار بالای آب (High Water Flux) و انتخاب‌پذیری (Selectivity). این غشاها نرخ عبور آب بیشتر و حذف نمک بالاتر از ۹۹٫۹ درصد از محلول‌های با غلظت ۷۰،۰۰۰ ppm نمک را ارائه می‌دهند و از تجمع ضایعات در محل‌های دفن جلوگیری می‌کنند.

مطالعه اولیه در نشریه Desalination (۲۰۲۳) معرفی‌کننده غشاهای پلی‌ایمیدی متخلخل ذاتی برای خوراک‌های با شوری بالا بود. پلیمر 6FDA-TMPD از ترکیب 4,4′-(hexafluoroisopropylidene) diphtalic anhydride (6FDA) و 2,3,5,6-tetramethyl-p-phenylenediamine (TMPD) تهیه شده است و پایداری حرارتی بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد و مساحت سطحی ۵۵۰ مترمربع بر گرم دارد. غشاها با روش وارونگی فاز (Phase Inversion) بدون افزودنی‌های شیمیایی ساخته شده‌اند و ساختارشان از فرم انگشت‌مانند به ساختار اسفنجی با منافذ به‌هم‌پیوسته تغییر یافته است. در آزمون با آب شور مصنوعی (۷۰،۰۰۰ ppm NaCl) و آب دریای خلیج فارس، راندمان حذف نمک ۹۹٫۹ درصد بدون استفاده از نانوذرات یا اصلاح سطحی گزارش شد.

در مطالعه دوم منتشرشده در Desalination (۲۰۲۵)، از جداسازی فاز بخار (Vapor-Assisted Phase Separation) برای ساخت غشا استفاده شد. این فرآیند، به‌جای غوطه‌ورسازی در حمام مایع، پوسته‌های پلیمر را مستقیماً در معرض بخار قرار می‌دهد تا کنترل دقیق بر اندازه منافذ و بافت سطحی فراهم شود. نفوذ آهسته بخار موجب آرایش یکنواخت‌تر زنجیره‌های پلیمری و ساختار بهینه شد. زاویه تماس سطحی به ۱۴۱٫۶ درجه رسید، یکی از بالاترین مقادیر ثبت‌شده برای غشاهای پلی‌ایمید، که بدون هیچ اصلاح شیمیایی حاصل شده است.

بخش دوم: یادگیری ماشین در بهینه‌سازی تقطیر غشایی

مطالعه سوم در نشریه Journal of Environmental Chemical Engineering (۲۰۲۵)، حوزه یادگیری ماشین (Machine Learning) را برای بهینه‌سازی فرآیند تقطیر غشایی به‌کار گرفت. پژوهشگران با استفاده از مدل‌های Boosted Trees و Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS)، عملکرد غشا را در شرایط مختلف پیش‌بینی کردند. در ۱۳۲ آزمایش با تغییرات دمای خوراک، شوری و نرخ جریان، مدل‌ها اعتبارسنجی شدند و داده‌های واقعی آب دریای خلیج فارس (۴۸،۲۰۰۰ ppm) عملکرد سیستم را تأیید کردند.

بخش سوم: نتایج و چشم‌انداز کاربرد صنعتی

نتایج این مجموعه مطالعات نشان‌دهنده مسیر تکاملی از نوآوری مواد تا طراحی پایدار و بهینه‌سازی هوشمند است. پلی‌ایمیدها مواد مؤثری در غشاهای نمک‌زدایی (Desalination) هستند که ضمن ارائه شار بالا، پایداری عملکردی را بدون افزودنی‌های شیمیایی حفظ می‌کنند. همچنین روش ساخت بخارمحور، غشاهای قابل بازیافت با ساختار سطحی مهندسی‌شده ایجاد کرده است. از سوی دیگر، افزودن هوش مصنوعی مسیر انتقال فناوری از آزمایشگاه به صنعت را ممکن کرده و این غشاها برای تصفیه پساب‌های صنعتی، تولید دارویی، نساجی و به‌ویژه استخراج لیتیوم بسیار مناسب‌اند.

به گفته «طهیب اوبیدارا (Toheeb Obidara)»، یکی از اعضای تیم پژوهش، مرحله بعدی تولید در مقیاس صنعتی و آزمایش در شرایط واقعی است. آنان قصد دارند سامانه‌های تقطیر غشایی را با منابع حرارتی تجدیدپذیر و سامانه‌های پایش دیجیتال ترکیب کنند تا بهره‌وری سیستم و پایداری محیط‌زیستی تضمین شود. این نوآوری‌ها در فناوری غشاهای پلی‌ایمید، نه‌تنها موفقیت آزمایشگاهی‌اند بلکه مسیر دستیابی به امنیت پایدار آب (Water Security) و توسعه نسل آینده سامانه‌های نمک‌زدایی هوشمند را هموار می‌کنند.

نتیجه‌گیری علمی

پژوهش‌های انجام‌شده در زمینه غشاهای پلی‌ایمید، نقطه‌عطفی در فناوری آب محسوب می‌شوند. با حذف افزودنی‌های شیمیایی و ارتقای قابلیت بازیافت، این غشاها همسو با اهداف مدیریت پایدار منابع آب عمل می‌کنند. استفاده از هوش مصنوعی در کنترل فرآیند سبب افزایش راندمان و کاهش هزینه‌ها شده است. این پیشرفت‌ها می‌توانند جایگاه کشورهای دارای تنش آبی را در عرصه دیپلماسی آب (Water Diplomacy) تقویت کنند و به تحقق امنیت آبی جهانی کمک نمایند.

تحلیل اختصاصی تیم Water Insight Hub – مرکز بینش آب ایران

بر پایه این خبر علمی، فناوری تقطیر غشایی بر پایه پلی‌ایمید یک نوآوری تحول‌آفرین در مدیریت منابع آب است. این فناوری با تلفیق مواد قابل بازیافت، مصرف کمتر انرژی، و هوشمندسازی کنترل فرآیندها، توانایی تغییر پارادایم جهانی در تصفیه فاضلاب صنعتی و نمک‌زدایی را دارد. از دیدگاه مدیریت و برنامه‌ریزی منابع آب، کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر در این فرایند، هم به بهبود امنیت آبی و هم به توسعه اقتصاد چرخشی کمک می‌کند.

در بعد دیپلماسی آب، کشورهایی که چنین فناوری‌های پیشرفته را توسعه می‌دهند، می‌توانند نقش راهبردی در همکاری‌های منطقه‌ای ایفا کنند و با انتقال دانش فنی، جایگاه خود را در سیاست‌های جهانی منابع آب تثبیت کنند. استفاده از غشاهای هوشمند در صنایع لیتیوم یا پساب‌های پتروشیمی نه‌تنها اثرات زیست‌محیطی را کاهش می‌دهد بلکه چشم‌انداز جدیدی از فناوری پایدار آب ایجاد می‌کند که با اهداف Green Technology جهانی همخوان است.

از منظر اقتصادی، این نوآوری می‌تواند هزینه‌های نمک‌زدایی را در کشورها تا حد قابل‌توجهی کاهش دهد و بهره‌وری آب (Water Efficiency) را افزایش دهد. در نتیجه صنایع وابسته به آب و فاضلاب می‌توانند عملکرد خود را با شاخص‌های توسعه پایدار سازگار کنند و نقش مؤثری در کاهش بحران‌های آبی ایفا نمایند.

پرسش‌های متداول (FAQ)

۱. غشاهای پلی‌ایمید جدید چه تفاوتی با غشاهای تجاری موجود دارند؟

این غشاها بدون نیاز به افزودنی‌های شیمیایی ساخته می‌شوند، عملکرد بالاتری در حذف نمک دارند و قابلیت بازیافت آن‌ها موجب کاهش آلودگی زیست‌محیطی می‌شود.

۲. آیا این فناوری برای فاضلاب صنعتی با غلظت بالای نمک مناسب است؟

بله، عملکرد آن در محلول‌هایی با ۷۰،۰۰۰ ppm نمک آزمایش شده و راندمان بالای ۹۹٫۹ درصد را حفظ کرده است.

۳. یادگیری ماشین چگونه به بهینه‌سازی تقطیر غشایی کمک می‌کند؟

هوش مصنوعی با تحلیل داده‌های دما، شوری و جریان، بهترین شرایط عملیاتی را تعیین می‌کند تا بازدهی و بهره‌وری سیستم به حداکثر برسد.

نویسنده: طهیِب اوبیدارا (Toheeb Obidara)

منبع خبر: https://B2n.ir/waterinsighthub4649