تطوير أغشية ضوئية مبنية على PPy مزدوجة الوظيفة ومتحملة للاستخراج المتزامن للمياه العذبة والملح

تحويل ضوء الشمس إلى مياه شرب وملح مفيد

يعيش مليارات الناس في مناطق تعاني ندرة المياه النظيفة، على الرغم من توفر المحيطات والمياه المالحة الملوثة حولنا. تستكشف هذه الدراسة نوعاً جديداً من الأغشية المصنوعة على قماش والتي تستخدم ضوء الشمس فقط لإنتاج مياه عذبة من مصادر مالحة أو ملوثة، مع استعادة الأملاح القيمة بدلاً من التخلص منها. يهدف النهج إلى خفض استهلاك الطاقة، وتخفيض التكاليف، وتقليل النفايات السائلة، ويقدم مساراً عملياً نحو مياه أنظف واستخدام أكثر ذكاءً للموارد.

قماش بسيط يمتص ضوء الشمس

جوهر العمل هو طبقة رقيقة داكنة مصنوعة من بوليبايرول (PPy)، وهو بوليمر موصل، موضوعة على أقمشة البوليستر الشائعة. عندما يصطدم ضوء الشمس بالـ PPy فإنه يمتص الضوء على نطاق واسع من الأطوال الموجية ويحوّله إلى حرارة بكفاءة عالية. استخدم الباحثون طريقة خالية من المذيبات تُسمى البلمرة بتبخر البخار الكيميائي لتشكيل طبقة PPy متجانسة على الأنسجة المنسوجة وغير المنسوجة. وبذكاء، تم طلاء الجانب العلوي للقماش فقط، مع إبقاء الجانب السفلي محبّاً للماء ليتمكن من سحب الماء من الأسفل بينما يواجه السطح الداكن الشمس ويسخن. يحافظ هذا التصميم على تدفق الماء باستمرار إلى السطح الساخن مع تقليل استخدام المواد والكيماويات.

ضبط التركيبة لتحقيق تسخين أقصى

لبناء طبقة الـ PPy اختبر الفريق عدة عوامل مؤكسدة — مواد كيميائية تحفز تشكّل البوليمر — بما فيها كلوريد الحديديك، وكلوريد النحاس، والبروسلفات الأمونيوم، والمنجنيزات البوتاسيوم، وثنائى كرومات الصوديوم. بتغيير تراكيزها وكمية البيرول الأحادية الصغيرة المستخدمة، وجدوا ظروفاً تُنتج طبقة مستمرة سوداء ز jet على الألياف. أظهرت الميكروسكوب أن الألياف المطلية طورت سطحاً خشناً وناعم الملمس، مما يقلل انعكاس الضوء ويساعد على حجز المزيد من الطاقة الشمسية. أكدت قياسات الضوء أن أفضل الأغشية امتصت أكثر من 94% من الضوء الوارد من فوق البنفسجي حتى تحت الأحمر، أي أعلى بكثير من الأقمشة غير المطلية. تحت إضاءة «شمس واحدة» (شدة ضوء الظهيرة العادية) تسخنت هذه الأغشية المحسنة بسرعة إلى نحو 60–65 °م، أي أكثر بكثير من القماش غير المطلي.

زيادة التبخر بواسطة طبقة رقيقة ساخنة

عند تعويم هذه الأقمشة المطلية بالـ PPy على الماء وتعريضها لضوء شمسي مُحاكى، زادت بشكل ملحوظ معدل تبخر الماء. تبخر الماء العادي بدون غشاء كان بطيئاً، نحو 0.22 كيلوغرام لكل متر مربع في الساعة. إضافة القماش العادي ضاعفت هذا المعدل ثلاث مرات، لكن غطاء الـ PPy رفعه أكثر: حتى 0.95 كغ م−2 س−1 للقماش غير المنسوج المعالج بكلوريد النحاس و0.93 كغ م−2 س−1 للقماش المنسوج المعالج بالبروسلفات الأمونيوم. ورغم استخدام كميات صغيرة جداً من البيرول، حققت الأغشية كفاءة تحويل شمسية-إلى-حرارة حوالي 57%. تحت إضاءة أقوى تعادل ثلاث شمس—مماثلة لأشعة مركزة—دفعت أفضل أغشية التبخر إلى 2.91 كغ م−2 س−1 مع بقاء الأداء مستقراً عبر دورات تسخين متكررة.

مياه عذبة في الأعلى، بلورات على الحافة

بعيداً عن إنتاج المياه النظيفة، صُممت هذه الأغشية أيضاً لمساعدة استعادة الأملاح التي قد تصبح نفايات. مع تسخين السطح وتبخر الماء، يُجمع البخار المتصاعد ويُكثف كماء نقي تقريباً، بينما تصبح المحلول المتبقي أكثر تركيزاً. وبما أن سطح الـ PPy مائي النفور وخشن، تتشكل بلورات الملح تفضيلياً على حواف منطقة التبخر بدلاً من سَدّ المنطقة المركزية الساخنة. في اختبارات مع كلوريد الصوديوم، وكبريتات النحاس، وكلوريد الحديد بتركيزات واقعية لمياه البحر والمرّكزات المالحة، حافظ النظام على معدلات تبخر عالية وأنتج حلقات مرئية من الملح يمكن حصادها بسهولة. في عرض واحد، استعاد غشاء يعمل على محلول ملحي بتركيز 7% نسبة 100% من الملح المذاب، بمعدل جمع ملح يبلغ نحو 58.6 غراماً لكل متر مربع في الساعة، وكل ذلك أثناء استمرار إنتاج المياه العذبة.

نحو مياه أنظف بلا سائل متبقٍ

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه الأبحاث أن مادة منخفضة التكلفة تشبه القماش يمكنها تحويل ضوء الشمس إلى مياه صالحة للشرب وملح قابل لإعادة الاستخدام، دون الحاجة إلى مضخات ضغط عالٍ أو إلكترونيات معقدة أو كميات كبيرة من المواد الكيميائية. أغشية الـ PPy مطمئنة، قابلة للغسل، ومتوافقة مع المراوِح الواقعية والمياه الصناعية الملوثة، بما في ذلك الجداول الحمضية أو القلوية. وبما أنها قادرة على تركيز النفايات المالحة حتى لا يتبقى تقريباً أي سائل، فإنها تدعم هدف «تصفير الانبعاثات السائلة» الطموح، حيث يُعاد تدوير الماء وتُستعاد المواد الصلبة بدلاً من إلقائها. مع مزيد من الهندسة وتوسيع النطاق، قد تلعب مثل هذه الأغشية المدفوعة بالشمس دوراً محورياً في أنظمة صغيرة لامركزية تساعد المجتمعات الساحلية والمزارع والصناعات على تأمين المياه العذبة مع تقليل التلوث والنفايات.

الاستشهاد: Mahmoud, M.T., Abdel-Ghafar, H.M., El-Sherif, A.A. et al. Development of robust dual functioning PPy-based photothermal membranes for simultaneous freshwater and salt harvesting. Sci Rep 16, 5945 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35812-y

الكلمات المفتاحية: تحلية بالطاقة الشمسية, غشاء ضوئي حراري, حصاد المياه العذبة, استعادة الملح, تصفير الانبعاثات السائلة