تأثير ظروف التشغيل المتغيرة على التدفق وكفاءة الطاقة في التقطير بالغشاء بفجوة هوائية لمعالجة الميالين

تحويل مياه الصرف المالحة إلى مورد

تسد محطات التحلية الحديثة حاجات المياه لكنها تخلق مشكلة جديدة: كميات هائلة من مياه الصرف فائقة الملوحة، أو الميالين، التي يصعب التخلص منها دون إلحاق ضرر بالبيئة. تبحث هذه الدراسة في طريقة واعدة لاستخلاص مزيد من المياه العذبة من ذلك الميالين باستخدام تقنية تُدعى التقطير بالغشاء بفجوة هوائية، مع مراقبة استهلاك الطاقة ومعدل تآكل الجهاز. تُظهر النتائج موضع التوازن المثالي بين الحصول على كمية كبيرة من المياه النظيفة، والحفاظ على تكاليف طاقة معقولة، وحماية مادة الغشاء داخل النظام.

كيف يعمل المرشح المدفوع بالحرارة

يمكن تشبيه التقطير بالغشاء بفجوة هوائية بعملية تبخر لطيفة وموجهة. يتدفق ماء مالح دافئ على جانب رقيق طارد للماء، بينما يتدفق ماء بارد على الجانب الآخر، مفصولان بواسطة جيب صغير من الهواء. بسبب فرق الحرارة، تتبخر جزيئات الماء من المحلول الملحي الساخن، تمر عبر الغشاء والفجوة الهوائية كبخار، ثم تتكثف كماء نقي تقريبًا على الجانب البارد. تبقى معظم الملحات في التيار الأصلي، مما يزيد تركيزه إلى ميالين أكثر ملوحة. يمكن لهذا الترتيب معالجة مستويات ملوحة تفوق ما تتحمله العديد من طرق التحلية الشائعة، مما يجعله جذابًا لمعالجة ميالين النفايات من المحطات القائمة.

اختبار سرعات ومعدلات ملوحة مختلفة

لاكتشاف أفضل أسلوب لتشغيل هذه العملية، غيّر الباحثون بشكل منهجي مفتاحين بسيطين يمكن للمشغل التحكم بهما: ملوحة الميالين الوارد وسرعة تدفقه عبر الوحدة. اختبروا ثلاث مستويات ملوحة نموذجية للميالين المركّز (45 و55 و65 غرامًا من الملح لكل لتر) ومعدلات تدفق تتراوح من قطرة بطيئة إلى تيار سريع. لكل حالة قاسوا كمية الماء النظيف التي عبرت الغشاء (التدفق)، ومدى عزل الملح (نسبة الرفض)، وكمية طاقة الحرارة المطلوبة لكل حجم من الماء المنتج. في الوقت نفسه، حدّوا كل تجربة بست ساعات حتى يتمكنوا من دراسة المراحل المبكرة من التراكم والانسداد على سطح الغشاء دون الخلط بينها وبين الأضرار طويلة الأمد.

إيجاد نقطة التشغيل الأفضل

تكشف النتائج عن مقايضة هندسية مألوفة. زيادة سرعة تدفق الميالين عمومًا حسّنت معدل إنتاج المياه العذبة، لأن السائل الساخن القريب من الغشاء ظل مختلطًا جيدًا واستمر في التبخر. لكن هذا التحسن جاء بتكلفة: عند أعلى معدلات التدفق والملوحة، تسرب المزيد من الملح وانخفضت نقاوة مياه المنتج. تحول استهلاك الطاقة أيضًا بطريقة غير بديهية. عند التدفق المنخفض جدًا، كانت الطاقة لكل لتر عالية لأن كمية الماء المنتجة كانت ضئيلة. مع زيادة التدفق، انخفض استهلاك الطاقة لكل لتر إلى حد أدنى ثم بدأ بالارتفاع مجددًا مع زيادة متطلبات الضخ وخسائر أخرى. برزت أفضل حالة تشغيل متوازنة عند تدفق معتدل يبلغ حوالي 2.0 لترات في الدقيقة وملوحة تصل إلى 55 غ/ل، حيث قدّم النظام إنتاجية جيدة للمياه، وأزال أكثر من 98 بالمئة من الملح، وحافظ على طلب حراري في نطاق معقول لهذا النظام صغير النطاق.

ماذا يحدث لسطح الغشاء

بخلاف الأرقام في الرسم، أراد الفريق معرفة ما الذي يحدث فعليًا لمادة الغشاء تحت هذه الشروط. باستخدام المجهر الإلكتروني، قارنوا مرشحات غير مستخدمة بأخرى عملت لمدة 72 ساعة. أظهرت المادة الجديدة شبكة مرتبة من المسام، بينما عرضت العينات المستخدمة مسارات ملتوية وبلورات ملحية صغيرة محشورة في الفتحات، وهي علامات واضحة على التلوث والانسداد الجزئي. أكدت تقنية تحليل كيميائي منفصلة أن مركبات ورواسب جديدة تكونت على السطح. تساعد هذه التغيرات في تفسير لماذا تضر السرعات والملوحيات العالية للغاية بالأداء في النهاية: مع تراكم البلورات وبدء تبلل المسام، يصبح من الأسهل أن يتسلل الماء المالح عبرها، مما يخفض نقاوة المخرج.

لماذا يهم هذا في مستقبل التحلية

معًا، تُظهر الدراسة أن التقطير بالغشاء بفجوة هوائية يمكن ضبطه لتحويل الميالين الصعب المعالجة إلى مياه عذبة إضافية، لكن فقط إذا شُغّل ضمن نافذة شروط محكمة. إن كان التشغيل لطيفًا جدًا، تضيع الطاقة؛ وإن كان عدوانيًا جدًا، تتلوث الفلاتر ويدخل مزيد من الملح إلى مياه المنتج. يجادل المؤلفون بأن التشغيل عند تدفق معتدل وملوحة متوسطة يقدم حلًا عمليًا اليوم، بينما يمكن للأنظمة المستقبلية أن تستخدم تصاميم أذكى واسترجاع الحرارة ومراقبة رقمية لدفع الأداء إلى الأمام. للقراء غير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن هناك مياه عذبة غير مستغلة ما تزال مختبئة في تيارات النفايات من محطات التحلية الحالية، ومع هندسة مدروسة يمكن استعادتها بطريقة فعّالة وأكثر صداقة للبيئة.

الاستشهاد: Mohamed, E.S., Azzam, A.M., Mohamed, A.T. et al. Impacts of variable operating conditions on flux and energy efficiency of air gap membrane distillation for brine management. Sci Rep 16, 12028 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36621-z

الكلمات المفتاحية: تحلية الميالين, التقطير بالغشاء, معالجة المياه, كفاءة الطاقة, التلوث/الانسداد