قام فريق من الباحثين من المعهد المركزي لأبحاث الملح والكيماويات البحرية (CSMCRI)، والمعهد الهندي للتكنولوجيا جانديناجار (IITGN)، وجامعة نانيانج التكنولوجية في سنغافورة، ومركز SN Bose الوطني للعلوم الأساسية بتطوير نوع جديد من غشاء الترشيح الدقيق للغاية. الدراسة التي نشرت في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكيةيصف تقنية يمكن أن تساعد الصناعات على خفض استخدام الطاقة وزيادة إعادة استخدام المياه بشكل كبير.
تعتمد العديد من الأنشطة الصناعية على فصل المواد المختلفة عن بعضها البعض. تعد عمليات الفصل هذه ضرورية لمهام مثل تنقية الأدوية ومعالجة صبغ النسيج وإنتاج الغذاء. ومع ذلك، فهي أيضًا من بين العمليات الأكثر استهلاكًا للطاقة في التصنيع، حيث تمثل ما يقرب من 40٪ إلى 50٪ من استهلاك الطاقة الصناعية العالمي.
ولا تزال معظم المنشآت تعتمد على الأساليب التقليدية مثل التقطير والتبخير. وعلى الرغم من فعاليتها، إلا أن هذه الأساليب تتطلب كميات كبيرة من الطاقة وتساهم بشكل كبير في انبعاثات الكربون. يعتبر الترشيح المعتمد على الغشاء بشكل عام بديلاً أنظف، لكن أغشية البوليمر التقليدية غالبًا ما تحتوي على مسام ذات حجم غير متساوٍ. وبمرور الوقت، يمكن أن يتغير شكل تلك المسام أو يتدهور، مما يقلل من أدائها ويحد من فائدتها في البيئات الصناعية المتطلبة.
أغشية بومبرية مستوحاة من الطبيعة ذات مسام نانومترية واحدة
قال الدكتور شيلبي كوشواها، كبير العلماء في CSMCRI: “لمعالجة هذه القيود، قمنا بتصميم فئة جديدة من الأغشية البلورية فائقة الانتقائية تسمى “POMbranes”، والتي تحتوي على مسام يبلغ عرضها حوالي نانومتر واحد، وهي أرق بآلاف المرات من شعرة الإنسان”.
الأغشية الجديدة مستوحاة من الأنظمة البيولوجية مثل أكوابورين، التي تنظم حركة الجزيئات من خلال قنوات ذات حجم دقيق. ولتحقيق هذا المستوى من التحكم، استخدم الباحثون مجموعات بولي أوكسوميتاليت (POM). تحتوي كل مجموعة على فتحة طبيعية يبلغ عرضها 1 نانومتر بالضبط وتظل مستقرة بشكل دائم.
وفقًا للسيدة بريانكا دوباريا، الباحثة في CSMCRI والمؤلفة الأولى المشاركة للمقال، “هذه POMs عبارة عن مجموعات معدنية صغيرة على شكل تاج تحتوي على ثقب دائم ومثالي في مركزها لا يتغير أو يفقد شكله، وهو أكبر عقبة أمام المرشحات البلاستيكية التقليدية.”
بناء المنخل الجزيئي سامسونج
يتطلب إنشاء غشاء عملي ترتيب المليارات من هذه الهياكل الصغيرة الشبيهة بالحلقات في طبقة متواصلة خالية من العيوب. ولتحقيق ذلك، ربط الباحثون سلاسل كيميائية مرنة بمجموعات POM.
عندما تم وضع التجمعات المعدلة على الماء، انتشرت بشكل طبيعي ونظمت نفسها في طبقة رقيقة للغاية ذات مساحة كبيرة. ومن خلال تغيير طول السلاسل المرتبطة، تمكن الفريق من التحكم في مدى تقارب المجموعات معًا.
وأضاف الدكتور راجافان رانجاناثان، الأستاذ المشارك في قسم هندسة المواد في IITGN: “أجبر هذا الجزيئات على عبور الغشاء من خلال المسار المفتوح الوحيد، وهو فتحات نانومترية واحدة مدمجة في كل مجموعة، مما يسمح للغشاء بالعمل مثل غربال عالي التقنية”.
قام الدكتور رانجاناثان والسيد فيناي ثاكور، وهو باحث دكتوراه في IITGN والمؤلف الأول المشارك للمقالة، بإجراء عمليات محاكاة على المستوى الجزيئي كشفت عن كيفية أداء الأغشية لوظيفة الترشيح الخاصة بها.
ما يقرب من عشر مرات أداء فصل أفضل
أظهر الاختبار أن الأغشية يمكنها التمييز بين الجزيئات التي تختلف بمقدار 100-200 دالتون فقط، وهو مستوى من الدقة يصعب للغاية تحقيقه باستخدام أغشية البوليمر التقليدية.
وفقًا للدكتور كيتان باتيل، العالم الرئيسي في CSMCRI، يمكن لهذه القدرة أن تخلق فرصًا جديدة لعمليات تصنيع أكثر استدامة.
وقال: “تُظهر أغشيتنا أداء فصل أفضل بعشر مرات تقريبًا مقارنة بالتقنيات الحالية، مع الحفاظ على المرونة والثبات والقابلية للتطوير”.
“بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه الأغشية مرنة ومستقرة عبر مستويات الحموضة المختلفة (نطاقات الرقم الهيدروجيني)، ويمكن تصنيعها في صفائح كبيرة. وهذا المزيج ضروري إذا تم اعتماد الأغشية على نطاق واسع في الصناعة.”
الفوائد المحتملة للمنسوجات وإعادة تدوير المياه
ويمكن أن تكون هذه التكنولوجيا ذات قيمة خاصة بالنسبة لصناعتي النسيج والأدوية في الهند، وكلاهما يلعبان أدوارًا رئيسية في اقتصاد البلاد.
يساهم قطاع المنسوجات والملابس في الهند بأكثر من 2.3% من الناتج المحلي الإجمالي ويمثل حوالي 13% من الإنتاج الصناعي. وتقدر قيمة السوق المحلية حاليًا بما بين 160 إلى 225 مليار دولار، ومن المتوقع أن تتوسع إلى 250 إلى 350 مليار دولار بحلول عام 2030.
تولد عمليات صباغة المنسوجات وتشطيبها كميات كبيرة من مياه الصرف الصحي الملوثة، مما يجعل إزالة الصبغة وإعادة استخدام المياه تحديات مستمرة. يمكن للأغشية الجديدة إزالة جزيئات الصبغة بشكل انتقائي مع السماح بإعادة تدوير المياه، مما يقلل من الطلب على المياه العذبة والنفايات الكيميائية. وتكتسب هذه الميزة أهمية خاصة مع استمرار نمو سوق معالجة مياه الصرف الصحي في الهند.
تطبيقات في التصنيع الدوائي
يمكن أن تفيد الأغشية أيضًا إنتاج الأدوية، حيث تعد عمليات الفصل الدقيقة للغاية أمرًا بالغ الأهمية لجودة المنتج وكفاءة التصنيع.
وأشار السيد فيناي ثاكور إلى أن “عمليات مثل تنقية الأدوية واستعادة المذيبات تستهلك الكثير من الطاقة وتتأثر بالجودة”. “يمكن للأغشية الانتقائية للغاية مثل هذه أن تقلل من استخدام الطاقة مع الحفاظ على المعايير الصارمة المطلوبة في إنتاج الأدوية.”
تكنولوجيا منصة للتصنيع المستدام
يصف الباحثون POMbranes الجديدة بأنها تقنية منصة متعددة الاستخدامات. هيكلها القابل للتعديل، والانتقائية العالية، والقدرة على تحمل البيئات الكيميائية القاسية تجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من مهام الفصل الصناعي، بدءًا من معالجة مياه الصرف الصحي وحتى التصنيع الكيميائي المتقدم.
ومع بحث الصناعات بشكل متزايد عن التقنيات التي تجمع بين الكفاءة والمتانة والاستدامة، قد تصبح الأغشية المهندسة جزيئيا جزءا مهما من أنظمة التصنيع من الجيل التالي. ومن خلال تطبيق مبدأ شائع في علم الأحياء، وهو التحكم الدقيق على المستوى الجزيئي، وتكييفه مع تكنولوجيا مواد قابلة للتطوير، أظهر الباحثون كيف يمكن للتصميم المستوحى من الطبيعة أن يساعد في حل التحديات الصناعية الكبرى.
اكتشاف المزيد من استشارات أونلاين
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
