فناوری نوین نمکزدایی خورشیدی: تولید آب شیرین و استخراج لیتیوم بدون مواد شیمیایی
این مطلب، ترجمه و تحلیلی بر اساس گزارشی از دانشگاه روچستر (University of Rochester) است که دستاوردی تازه در حوزه فناوری آب معرفی میکند. پژوهشگران ادعا کرده‌اند که روشی کارآمد برای شیرینسازی آب بدون تولید پساب شور و مواد شیمیایی توسعه داده‌اند. بر اساس آمارهای سازمان ملل متحد، حدود ۲.۲ میلیارد نفر در سراسر جهان به آب آشامیدنی سالم دسترسی ندارند و جوامع مختلف از کالیفرنیا تا خاورمیانه برای تأمین آب شرب به تأسیسات نمکزدایی وابسته‌اند. روش‌های سنتی مانند اسمز معکوس علاوه بر مصرف بالای انرژی، پسابی موسوم به آب‌شور غلیظ (brine) تولید میکنند که می‌تواند اکوسیستمهای دریایی را به خطر بیندازد.پژوهشگران مؤسسه اپتیک در دانشگاه روچستر (URochester’s Institute of Optics) فرآیند جدیدی را توسعه داده‌اند که بر اساس گزارش‌ها می‌تواند به‌صورت بهینه و بدون نیاز به مواد شیمیایی، آب شیرین تولید کند. تیمی به سرپرستی چانلی گو (Chunlei Guo)، استاد فیزیک و اپتیک، جزئیات این پژوهش را در نشریه Light: Science & Applications شرح داده‌اند. این فناوری از پنلهای خورشیدی ساخته شده از فلز سیاه بهره میبرد که با لیزرهای فمتوثانیه حکاکی شدهاند تا سطح فلز بسیار نورجذب و فوقالعاده آبدوست (superwicking) شود. این پنل‌ها لایه نازکی از آب را روی سطح می‌کشند، تابش خورشید را جذب میکنند، آب را تقطیر میکنند و املاح باقی‌مانده را به بخشهای کناری یا «غیرفعال» هدایت میکنند تا نمک مانع از ادامه فرآیند شیرینسازی نشود. چانلی گو اشاره میکند که اگرچه برخی پژوهشگران روش‌های مشابهی را در آزمایشگاه با آب شور مصنوعی ساخته شده از سدیم کلرید آزمایش کرده بودند، اما آب واقعی اقیانوسها ترکیب بسیار پیچیده‌تری دارد. ترکیباتی مانند منیزیم و کلسیم لایهای پوسته‌ای روی سطح ایجاد میکنند که به مرور زمان منافذ پنل را مسدود میکند. با این حال، تیم تحقیقاتی با تنظیم دقیق شیارهای فلز سیاه توانستند کاری کنند که املاح و مواد معدنی از روی سطح بلغزند.یک روش جدید نمکزدایی خورشیدی ادعا میکند که می‌تواند آب دریا را بدون نیاز به مواد شیمیایی پیشتصفیه، به آب آشامیدنی تبدیل کند.
این سامانه مجهز به سطوح فلزی سیاه و حکاکی‌شده با لیزر است که با بهرهگیری از پدیده اثر حلقه قهوه، از مسدود شدن سطح توسط املاح جلوگیری میکند.
این فناوری علاوه بر تولید آب شیرین، قابلیت استخراج مواد باارزشی نظیر لیتیوم را از نمکهای باقی‌مانده دارد.
پژوهشگران در این سامانه از پدیده فیزیکی «اثر حلقه قهوه» بهره برده‌اند؛ همان پدیده‌ای که هنگام تبخیر قطره قهوه روی میز، حلقه‌ای از ذرات را در لبه بیرونی باقی می‌گذارد. تیم تحقیقاتی با استفاده از همین اصل، نمکها را به بخش غیرفعال پنل هدایت کردند. آزمایش این سامانه با نمونههای آب اقیانوسهای آرام، اطلس و هند نشان داد که سطح پنل خودتمیزشونده باقی می‌ماند. یکی از مزایای متمایز این روش آن است که به جای تولید پساب شور مضر، ادعا میشود که تقریباً ۱۰۰ درصد املاح را به شکل جامد استخراج میکند. در مقاله‌ای مرتبط که در نشریه Journal of Materials Chemistry A منتشر شده، این تیم نشان داد که با جاسازی نانوذرات هیدروژن تیتانات در شیارهای فلز سیاه، می‌توان لیتیوم را از سایر نمکها جدا کرد. این روش نوین می‌تواند به عنوان یک راهکار بالقوه برای تأمین پایدار مواد معدنی مطرح شود.“Mining lithium from the earth has proven to be very taxing from an energy and environmental standpoint, so pulling lithium directly from saltwater could be a very important future route.”
تحلیل اختصاصی تیم مرکز بینش آب
وابستگی جوامع ساحلی به فناوری‌های انرژی‌بر مانند اسمز معکوس، چالش‌های زیستمحیطی فراوانی ایجاد کرده که انتشار این مقاله را به یک موضوع قابل توجه تبدیل میکند. تمرکز این پژوهش بر حذف مواد شیمیایی پیشتصفیه، گامی احتمالی در جهت کاهش هزینه‌های عملیاتی و آسیب‌های زیستمحیطی است که البته نیازمند اثبات در مقیاس صنعتی است. پیوند این نوآوری با پیشرفت‌های حوزه هوش مصنوعی و مهندسی مواد پیشرفته، افق تازه‌ای را پیش روی صنعت تصفیه آب می‌گشاید. همان‌طور که در متن خبر به ویژگی‌های ساختاری فلز سیاه اشاره شد، استفاده از ساختارهای نانومتری و برش‌های لیزری دقیق روی فلزات، نمونه بارز کاربرد فناوری‌های نوین در حل چالش‌های حوزه آب است که می‌تواند راندمان سیستم‌های خورشیدی را بهبود بخشد. بررسی چشم‌انداز منطقه خاورمیانه و شمال آفریقا (MENA) که با تنش شدید آبی مواجه است، اهمیت چنین مطالعاتی را نشان میدهد. با توجه به چالش‌های دفع پساب شور به دریاهای نیمه‌بسته در این منطقه، توسعه سامانههای خودتمیزشونده خورشیدی می‌تواند در صورت تجاری‌سازی، فشارهای اکولوژیک را کاهش دهد. مقالاتی نظیر گام بلند ریاض برای فتح بازار ۱۷ میلیارد دلاری تجهیزات فناوی آب منطقه منا نیز بر اهمیت سرمایه‌گذاری روی فناوری‌های پاک تأکید دارند. برای کشوری مانند ایران که با تنش‌های آبی و افت سفره‌های آب زیرزمینی روبه‌روست، پیگیری چنین دستاوردهایی حائز اهمیت است. مناطق جنوبی ایران که به آب دریا دسترسی دارند، می‌توانند تحولات این دست از فناوری‌ها را رصد کنند؛ هرچند که ارزیابی اقتصادی و مقیاس‌پذیری آن‌ها در مقایسه با روش‌های موجود مانند نمونههای بررسی شده در گزارش مسکّن موقت برای عطش دائمی؛ ارزیابی مرکز استیمسون از ناکارآمدی سیاست‌های کلان آبی در ایران نیازمند مطالعات بومی دقیق است. در نهایت، توسعه چنین فناوری‌هایی نشان میدهد که آینده مدیریت منابع آب نیازمند توجه همزمان به انرژی‌های پاک و حفاظت از اکوسیستم‌هاست. حرکت به سمت حذف پساب‌های خطرناک که در نتایج آزمایشگاهی این پژوهش گزارش شده، الگویی پژوهشی برای آینده فراهم میکند، مشروط بر آنکه چالش‌های انتقال از آزمایشگاه به مقیاس صنعتی با موفقیت پشت سر گذاشته شوند. برای مطالعه متن اصلی کلیک کنید.
سامانه نمکزدایی خورشیدی دانشگاه روچستر از پنلهای فلز سیاه که با پالسهای لیزر فمتوثانیه (Femtosecond Laser) پردازش شدهاند، بهره میبرد. این لیزرها ساختارهای نانومتری و میکرومتری ایجاد میکنند که خاصیت فوقالعاده آبدوست (Superwicking) و جذب حداکثری نور خورشید را به سطح فلز میبخشند. این سطح لایه بسیار نازکی از آب دریا را روی خود پهن کرده و با تبدیل نور خورشید به انرژی حرارتی، آب را بدون نیاز به مواد شیمیایی پیشتصفیه (Pre-treatment chemicals) یا اعمال فشارهای هیدرولیکی بالا تبخیر و تقطیر میکند.
در آبهای طبیعی دریا، یونهایی نظیر کلسیم و منیزیم رسوبات لایهای سختی تشکیل میدهند که سطوح تبخیر را مسدود میکنند. پژوهشگران با الهام از پدیده فیزیکی «اثر حلقه قهوه» (Coffee-Ring Effect) و طراحی دقیق شیارها و بافتهای لیزری، مسیر حرکت سیال تبخیرشونده را هدایت کردند. در این فرآیند، ذرات و نمکهای متبلور همزمان با تبخیر آب از بخش مرکزی به لبهها و بخشهای غیرفعال رانده شده و مانع از تشکیل رسوب در منطقه تبخیر فعال میشوند که به سامانه قابلیت خودتمیزشوندگی (Self-cleaning) میبخشد.
این فناوری با تبخیر آب دریا، نمکها و املاح معدنی را به فرم جامد رسوب میدهد. برای جداسازی عناصر باارزش، نانوذرات هیدروژن تیتانات (Hydrogen Titanate Nanoparticles) درون ریزشیارهای لیزری فلز سیاه جاسازی شدهاند. این نانوذرات دارای مکانهای فعال انتخابی هستند که توانایی جذب و رهایش هدفمند یونهای لیتیوم را از میان مخلوط پیچیده یونهای نمک دارند؛ روشی که مسیر بازیابی مستقیم لیتیوم از آب دریا بدون نیاز به استخراج فسیلی و شیمیایی را هموار میکند.
سامانههای متعارف اسمز معکوس (Reverse Osmosis - RO) حجم قابلتوجهی پساب شور غلیظ (Brine) آغشته به مواد ضد رسوب شیمیایی وارد اکوسیستمهای دریایی میکنند که لایههای اکسیژن و تنوع زیستی را تهدید مینماید. در مقابل، رویکرد دانشگاه روچستر به سمت تخلیه مایع صفر (Zero Liquid Discharge - ZLD) حرکت کرده و با رسوبدهی تقریباً ۱۰۰ درصد نمکها به فرم جامد و حذف مواد شیمیایی پیشتصفیه، پساب مایع آلاینده را حذف میکند؛ دیدگاهی پایدار که در مطالعات مرکز بینش آب نیز برای صیانت از بومسازگانهای آبی مورد تأکید است.
بله؛ برخلاف بسیاری از طرحهای آزمایشگاهی که عملکرد خود را تنها با محلولهای ساده کلرید سدیم (NaCl) بررسی میکنند، این سامانه با نمونههای آب واقعی از اقیانوسهای آرام، اطلس و هند تست شده است. نتایج اثبات کردند که ساختار مهندسیشده فلز سیاه در برابر مقادیر بالای سختی، یونهای دوظرفیتی و نمکهای گوناگون مقاومت نشان داده و خاصیت لغزش املاح و خودتمیزشوندگی را در ترکیبهای متنوع ژئوشیمیایی اقیانوسها حفظ میکند.
روش ساخت لیزری در این سیستم موجب تیرگی عمیق فلز، حداقل بازتابش نوری و طیف جذب گسترده در محدوده امواج خورشیدی میشود. علاوه بر این، خاصیت مویینگی شدید (Superwicking) ضخامت لایه آب سطحی را تا مقیاس میکرونی کاهش میدهد. کاهش ضخامت آب روی فلز سیاه، مقاومت حرارتی انتقال آب به فاز بخار را به حداقل رسانده و راندمان فتودیسالیناسیون را به سطحی بالاتر از سیستم‌های خورشیدی مرسوم با عمق مایع بیشتر می‌رساند.
استخراج سنتی لیتیوم از معادن سنگ سخت یا حوضچههای تبخیری خاکی، فرآیندی با اثر کربنی بسیار بالا، نیازمند مصرف انرژی سنگین و مصرف میلیونها لیتر منابع آب شیرین در مناطق خشک است. بر اساس مستندات تیم تحقیقاتی دانشگاه روچستر و پایشهای موضوعی مرکز بینش آب، استخراج لیتیوم بهوسیله نانوذرات هیدروژن تیتانات همراستا با شیرینسازی آب، یک فرآیند همافزا با ردپای کربنی پایین برای زنجیره تأمین باتریهای تجدیدپذیر ایجاد میکند.
میلاد شفیع پور
کارشناس ارشد حوزه منابع آب
ایمیل رسمی مرکز بینش آب:
