يقوم الباحثون ببناء وحدة تحلية محمولة تولد مياه شرب نقية ونظيفة، من دون الحاجة إلى المرشحات أو مضخات الضغط العالي.
طور باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وحدة تحلية محمولة، يقل وزنها عن 10 كيلوغرامات (22 رطلاً)، يمكنها إزالة الجزيئات والأملاح لتوليد مياه الشرب العذبة.
يحتاج الجهاز، الذي يقارب حجمه حجم حقيبة السفر، إلى طاقة للعمل أقل مما يعطيه شاحن الهاتف الخلوي. يمكن أيضاً تشغيله بواسطة لوحة شمسية صغيرة محمولة، والتي يمكن شراؤها عبر الإنترنت مقابل حوالي 50 دولاراً. يقوم تلقائياً بتوليد مياه الشرب التي تتجاوز معايير الجودة لمنظمة الصحة العالمية. يتم تجميع هذه التقنية في جهاز سهل الاستخدام يعمل بضغطة زر واحدة.
على عكس أجهزة التحلية المحمولة الأخرى التي تتطلب مرور المياه عبر المرشحات، تستخدم هذه الوحدة الطاقة الكهربائية لإزالة الجزيئات من مياه الشرب. يؤدي التخلص من الحاجة إلى استبدال المرشحات إلى تقليل متطلبات الصيانة طويلة المدى بشكل كبير.
وقد يمكّن ذلك من نشر الوحدة في مناطق نائية ومحدودة الموارد بشدة، مثل المجتمعات في الجزر الصغيرة أو على متن سفن الشحن البحرية. كما يمكن استخدامه لمساعدة اللاجئين الفارين من الكوارث الطبيعية أو من قبل الجنود الذين ينفذون عمليات عسكرية طويلة الأمد.
"هذا حقاً تتويج لرحلة دامت 10 سنوات كنت فيها أنا ومجموعتي. لقد عملنا لسنوات على الفيزياء الكامنة وراء عمليات تحلية المياه الفردية، ولكن دفع كل هذه التطورات إلى صندوق، وبناء نظام، وإثباته في المحيط، كانت تلك تجربة مفيدة حقاً ومجزية بالنسبة إلي" كما يقول المؤلف الكبير جونغ يون هان، أستاذ الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر والهندسة البيولوجية، وعضو في مختبر أبحاث الإلكترونيات (RLE).
انضم إلى هان في الورقة المؤلف الأول Junghyo Yoon، وهو عالم أبحاث في المختبر ذاته RLE، وهيوكجين ج. كوون وهو باحث سابق في مرحلة ما بعد الدكتوراه إضافة إلى سونغ كو كانغ وهو باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة نورث إيسترن. وإريك براك من قيادة تطوير القدرات القتالية للجيش الأمريكي (DEVCOM). نُشر البحث على الإنترنت في مجلة Environmental Science and Technology.
تقنية خالية من الفلتر
تتطلب وحدات التحلية المحمولة المتوفرة تجارياً عادة مضخات عالية الضغط لدفع المياه عبر المرشحات، والتي يصعب تصغيرها دون المساس بكفاءة الطاقة للجهاز، كما يوضح يون.
بدلاً من ذلك، تعتمد الوحدة الجديدة على تقنية تسمى استقطاب تركيز الأيونات (ICP)، والتي كانت رائدة من قبل مجموعة هان منذ أكثر من 10 سنوات. بدلاً من تصفية المياه، تطبق عملية برنامج المقارنات الدولية مجالاً كهربائياً على الأغشية الموضوعة فوق وتحت قناة من الماء. تتنافر الأغشية مع الجسيمات المشحونة إيجاباً أو سلباً - بما في ذلك جزيئات الملح والبكتيريا والفيروسات - أثناء تدفقها إلى الخلف. يتم توجيه الجسيمات المشحونة إلى تيار ثاني من الماء يتم تصريفه في النهاية.
تقوم هذه العملية بإزالة كل من المواد الصلبة المذابة والمعلقة، مما يسمح للمياه النظيفة بالمرور عبر القناة. نظراً لأنه لا يتطلب سوى مضخة منخفضة الضغط، فإن هذا الجهاز الجديد لتحلية المياه يستخدم طاقة أقل من التقنيات الأخرى.
لكن جهاز التنقية هذا لا يزيل دائماً جميع الأملاح العائمة في منتصف القناة. لذا قام الباحثون بدمج عملية ثانية، تُعرف بالديلزة الكهربائية، لإزالة أيونات الملح المتبقية.
استخدم يون وهان التعلم الآلي للعثور على المزيج المثالي من التقنية الخلية من الفلاتر التي يعملون عليها والمسماة: ICP ووحدات الغسيل الكهربائي. يتضمن الإعداد الأمثل عملية ICP من مرحلتين، حيث يتدفق الماء عبر ست وحدات في المرحلة الأولى ثم من خلال ثلاث وحدات في المرحلة الثانية، تليها عملية غسيل كهربائي واحدة. هذا الحد الأدنى من استخدام الطاقة مع ضمان بقاء العملية ذاتية التنظيف.
يوضح يون: في حين أنه من الصحيح أن بعض الجسيمات المشحونة يمكن التقاطها على غشاء التبادل الأيوني، إلا أنه إذا تم حصرها، فإننا نعكس قطبية المجال الكهربائي، ويمكن إزالة الجسيمات المشحونة بسهولة.
لقد قاموا بتقليص وتكديس وحدات تقنية ICP والغسيل الكهربائي لتحسين كفاءتها في استخدام الطاقة وتمكينها من وضعها داخل جهاز محمول. صمم الباحثون الجهاز لغير الخبراء بحيث تحتاج إلى ضغط زر واحد فقط لبدء عملية التحلية والتنقية التلقائية. بمجرد انخفاض مستوى الملوحة وعدد الجزيئات إلى عتبات معينة، يُعلم الجهاز المستخدم أن الماء صالح للشرب.
أنشأ الباحثون أيضاً تطبيقاً للهواتف الذكية، يمكنه التحكم في الوحدة لاسلكياً والإبلاغ عن بيانات في الوقت الفعلي عن استهلاك الطاقة وملوحة المياه.
اختبارات الشاطئ
بعد إجراء التجارب المعملية باستخدام المياه بمستويات مختلفة من الملوحة والعكارة، اختبر فريق العمل الجهاز ميدانياً عند شاطئ كارسون في بوسطن.
وضع يون وهان الصندوق بالقرب من الشاطئ وألقيا أنبوب التغذية في الماء. في حوالي نصف ساعة، ملأ الجهاز كوباً بلاستيكياً بمياه صافية صالحة للشرب.
يقول هان: لقد كان ناجحاً حتى في تشغيله الأول، الأمر الذي كان مثيراً ومدهشاً للغاية. لكنني أعتقد أن السبب الرئيسي وراء نجاحنا هو تراكم كل هذه التطورات الصغيرة التي أحرزناها على طول الطريق.
تجاوزت المياه الناتجة إرشادات الجودة لمنظمة الصحة العالمية، وخفضت الوحدة كمية المواد الصلبة العالقة بعامل 10 على الأقل، يولد الأنموذج الأولي الذي صممه الفريق مياه الشرب بمعدل 0.3 لتر في الساعة، ولا تتطلب سوى 20 واطاً من الطاقة لكل لتر.
يقول يون: في الوقت الحالي، ندفع بحثنا إلى زيادة معدل الإنتاج هذا.
يقول هان: إن أحد أكبر تحديات تصميم النظام المحمول كان هندسة جهاز بسيط يمكن لأي شخص استخدامه.
يأمل يون في جعل الجهاز أكثر سهولة في الاستخدام وتحسين كفاءة الطاقة ومعدل الإنتاج من خلال شركة ناشئة يخطط لإطلاقها لتسويق التكنولوجيا الجديدة.
في المختبر، يريد هان تطبيق الدروس التي تعلمها خلال العقد الماضي على قضايا جودة المياه التي تتجاوز تحلية المياه، مثل الكشف السريع عن الملوثات في مياه الشرب.
يقول: هذا بالتأكيد مشروع مثير، وأنا فخور بالتقدم الذي أحرزناه حتى الآن، ولكن لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به.
على سبيل المثال، في حين أن "تطوير الأنظمة المحمولة باستخدام عمليات الغشاء الكهربائي هو اتجاه أصلي ومثير في تحلية المياه خارج الشبكة وعلى نطاق صغير"، فإن آثار التلوث، خاصة إذا كان الماء به تعكر مرتفع، يمكن أن يزيد بشكل كبير من متطلبات الصيانة وتكاليف الطاقة، كما يشير نضال هلال، أستاذ الهندسة ومدير مركز أبحاث المياه بجامعة نيويورك – أبو ظبي، والذي لم يشارك في هذا البحث.
ويضيف: هناك قيد آخر يتمثل في استخدام مواد باهظة الثمن. سيكون من المثير للاهتمام رؤية أنظمة مماثلة ذات مواد منخفضة التكلفة.
----