نموذج أولي لإنتاج هواء غني بالأكسجين باستخدام خلية فصل مغناطيسية جديدة وغشاء مصفوفة مركبة مغناطيسية من بولي(إيثيرسلفون)

تنفس أسهل بمرشحات هواء أذكى

توفير هواء نظيف غني بالأكسجين أمر حيوي للمستشفيات والصناعة وحتى للمحركات الأنظف، لكن تقنيات اليوم لفصل الأكسجين عن الهواء غالباً ما تكون ضخمة وتستهلك طاقة كبيرة ومكلفة. تعرض هذه الدراسة نموذجًا أوليًا جديدًا مدمجًا يمكنه إثراء الأكسجين باستخدام غشاء خاص قائم على المغناطيس وخلية معدنية مصممة بعناية. بالاستفادة من الفروق المغناطيسية الطفيفة بين الأكسجين والنيتروجين، يزيد الجهاز من مستويات الأكسجين في الهواء دون الاعتماد على مغناطيسات خارجية كبيرة أو أنظمة تبريد معقدة.

لماذا يعد فصل الهواء صعبًا

الهواء يتكون في الغالب من النيتروجين، بينما الأكسجين يشكل نحو خُمس المزيج، وهذان الغازان متقاربان جدًا في الحجم. الطرق التقليدية لفصلهما—التقطير بالتبريد والتبادل بالامتصاص بالضغط—تعمل جيدًا لكنها تتطلب معدات ثقيلة واستهلاكًا عاليًا للطاقة. تتميز طرق الأغشية، التي تدفع الهواء عبر حواجز رقيقة تفضل غازًا على آخر، بوعد نظم أصغر وأكثر بساطة. ومع ذلك، لأن الأكسجين والنيتروجين متشابهان جدًا، تكافح معظم الأغشية للتمييز بينهما، لذا عادة ما يعني تحسين الفصل التضحية بالكفاءة أو بالعملية العملية.

استخدام المغناطيسية لتوجيه الأكسجين

الأكسجين ينجذب ضعيفًا إلى المجالات المغناطيسية، بينما يُقابل النيتروجين اندفاع طفيف. يستغل الباحثون هذا التباين عن طريق غرس جزيئات صغيرة من سبيكة حديد-نيكل داخل بوليمر يسمى بولي(إيثيرسلفون)، مكوِّنين ما يعرف بالغشاء المصنف المركب. هذه السبائك، التي تُصنع بعملية اختزال كيميائية بسيطة، لها أشكال غير اعتيادية تشبه «نجوم البحر» و«القلائد» وتحتفظ بمغنطة قوية بذاتها. وبما أنها تتصرف كمغناطيسات دائمة صغيرة، يمكن للغشاء أن يجذب جزيئات الأكسجين بقوة أكبر من النيتروجين، موجهًا الأكسجين بلطف عبر المادة دون الحاجة لمغناطيسات أو ملفات خارجية.

تصنيع غشاء وخلية ذكيين

لصنع الغشاء، حلّ الفريق البوليمر ووزّع كمية صغيرة من السبيكة المغناطيسية، ثم سكب المزيج على شكل صفائح رفيعة. يعمل سكين سكب من الحديد أثناء هذه الخطوة كمغناطيس، ويسحب جزيئات السبيكة إلى صفوف محاذية تحت سطح الغشاء ويمنعها من الغرق. في الوقت نفسه، يزيد ملح مُشكّل المسام عدد الفراغات المجهرية حول الجزيئات، مما يقصر المسارات التي يجب أن تسلكها جزيئات الغاز. تولد هذه الخصائص غشاءً ذا مسامية وخشونة أعلى من ورقة بوليمرية بسيطة، مما يسمح بمرور هواء أغنى بالأكسجين مع إبقاء النيتروجين محجوزًا إلى حد كبير.

خلية مدمجة تعزز الأداء

يُركّب الغشاء داخل خلية مسطحة مخصصة من الفولاذ المقاوم للصدأ بحجم قرميدة صغيرة تقريبًا. يدخل الهواء من جانب، ويتدفق فوق الغشاء، ويخرج تيار مُثقف بالأكسجين من الجانب الآخر. تكمن الابتكارة الرئيسية في جانب النفاذ: أربعة أحراف ضحلة، طُليت لاحقًا بنفس السبيكة المغناطيسية المستخدمة في الغشاء. تخلق هذه الأحراف منطقة جذب مغناطيسي ثانية لجزيئات الأكسجين التي عبرت الغشاء، مما يساعد على سحب المزيد من الأكسجين عبره. أظهرت الاختبارات مع هواء متدفق عند ضغوط معتدلة أن إضافة الطلاء المغناطيسي إلى الأحراف زادت نفاذية الهواء الغني بالأكسجين بنسبة 55 في المئة ورفعت محتوى الأكسجين في التيار الخارج بنحو 40 في المئة، مقارنة بخلية مماثلة بدون الأحراف المغناطيسية.

ماذا يعني هذا للاستخدام اليومي

لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن هذا العمل يبيّن طريقة أبسط لصنع هواء مُثقف بالأكسجين: شريحة رقيقة شبيهة بالبلاستيك مملوءة بمغناطيسات دائمة صغيرة، موضوعة داخل خلية معدنية مصممة بذكاء. بدلًا من المغناطيسات الكبيرة أو أنظمة التبريد عالية الاستهلاك للطاقة، تُوجّه الجسيمات المغناطيسية الدائمة والتصميم المموج الأحراف الأكسجين بهدوء خارج تيار الهواء. بينما درجة الإثراء متواضعة مقارنة بالمصانع الصناعية الكبيرة، تشير مكاسب الأداء والمواد منخفضة التكلفة والتشغيل دون مجال مغناطيسي خارجي إلى مسار عملي نحو وحدات أكسجين أخف وأكثر كفاءة لأجهزة طبية، واحتراق أنظف، وتطبيقات أخرى حيث يكون فصل الهواء المدمج والموثوق ذو قيمة.

الاستشهاد: Nady, N., Rashad, N., Elmarghany, M.R. et al. A prototype for producing oxygen-rich air using novel magnetic separation cell and magnetic mixed poly(etheresulfone) matrix membranes. Sci Rep 16, 9661 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41766-y

الكلمات المفتاحية: إثراء الأكسجين, الأغشية المغناطيسية, فصل الغازات, غشاء مصفوفة مختلطة, تقنية فصل الهواء