تطوير غشاء قائم على بولي فينيليدين فلوريد مدرج فيه سبيكة حديد-نيكل مغناطيسية للتناضح الغشائي بالفراغ لإزالة الملوحة

تحويل المياه المالحة إلى مياه صالحة للشرب

توفير مياه شرب نظيفة للسكان المتزايدين يعد أحد أكبر التحديات في هذا القرن. تحوّل محطات إزالة الملوحة مياه البحر بالفعل إلى مياه عذبة، لكن العديد من الطرق الحالية تستهلك طاقة كبيرة وتكلفة عالية. تدرس هذه الدراسة نوعًا جديدًا من المرشحات البلاستيكية التي تستخدم الحرارة وفراغًا خفيفًا لسحب بخار الماء النقي من المياه المالحة. من خلال إعادة تصميم مادة الغشاء بعناية وإضافة جزيئات مغناطيسية صغيرة، يُظهر الباحثون طريقة لجعل هذه العملية أكثر كفاءة ومتانة، مما يساعد على تمديد إمدادات المياه العذبة المحدودة.

لمسة جديدة على المرشحات البلاستيكية

في صلب هذا العمل توجد مادة بلاستيكية هندسية شائعة تُسمى PVDF، تُستخدم بالفعل في العديد من مرشحات معالجة المياه. في التناضح الغشائي بالفراغ، يتدفق ماء مالح دافئ على أحد جانبي صفح رقيق طارد للماء، بينما يسحب فراغ على الجانب الآخر بخار الماء عبر الصفح، تاركًا الملح خلفه. سَعَى الفريق إلى تحسين هذا الصفح ليحمل المزيد من بخار الماء دون السماح بتسرُّب الماء السائل. كانت فكرتهم مزج البلاستيك بكمية ضئيلة من سبيكة معدن الحديد-النيكل التي تشكل جزيئات شبيهة بالنجوم البحرية وتمتاز بمغناطيسية دائمة. تُغلف هذه الجزيئات بالبلاستيك بحيث لا يلامس الماء المعدن العاري، لكن شكلها وطبيعتها المغناطيسية يساعدان في تشكيل البنية الداخلية للغشاء.

كيف تغيّر النجوم البحرية المغناطيسية الغشاء

صنع الباحثون أولًا الجزيئات الحديد-نيكل على شكل نجوم بحرية باستخدام طريقة كيميائية رطبة، ثم مزجوا جرعات صغيرة منها في خليط PVDF سائل قبل صبه إلى أفلام رقيقة. فحصوا الأغشية الناتجة بعدة أدوات ليروا كيف غيّر المعدن المادة. كشفت صور المجهر الإلكتروني أن إضافة ما يصل إلى 0.2 في المئة بالوزن من السبيكة فتحت مسامات أكثر وخلقت شبكة قنوات أكثر ترابطًا. أظهرت القياسات أن المسامية الكلية ارتفعت من نحو نصف الفراغ في البلاستيك العادي إلى ما يقرب من ثلاثة أرباع الفراغ في أفضل خليط، بينما زاد متوسط حجم المسام لكنه بقي ضمن نطاق آمن لا يزال يقاوم تسلل الماء السائل.

موازنة السماكة والملمس والقوة

بعيدًا عن تشكيل المسام، تتبّع الفريق بعناية كيف أثرت السبيكة على السماكة والملمس السطحي وقوة الأغشية. زيادة بسيطة في محتوى البلاستيك جعلت الصفيحة أكثر سمكًا وأمتن لكنها أيضًا أبطأت تدفق بخار الماء. جمعت وصفة الأداء الأفضل بين 14 في المئة PVDF و0.2 في المئة سبيكة. كانت هذه النسخة فقط أسمك بنحو 10 في المئة من الغشاء البسيط لكنها أكثر خشونة على المستوى الميكروسكوبي وأكثر مسامية بشكل ملحوظ. أظهرت اختبارات تماسك قطرات الماء على السطح أن كميات صغيرة من الحشو جعلت السطح أكثر قابلية للابتلال في البداية، لكن تحميلًا أعلى والخشونة المضافة أعاداه إلى سلوك أكثر طردًا للماء. أكدت الاختبارات الميكانيكية أن الجزيئات المعدنية ضاعفت تقريبًا القوة الشدّية، بينما أظهرت اختبارات التسخين أن السبيكة ساعدت البلاستيك على مقاومة التحلل عند درجات حرارة عالية.

وضع الأغشية الجديدة على المحك

لمعرفة ما إذا كانت هذه التغييرات الهيكلية حسَّنت فعلاً إزالة الملوحة، أجرى العلماء اختبارًا لكل غشاء في جهاز تقطير بالفراغ مُصمَّم خصيصًا يستخدم ماء مالحًا مشابهًا في القوة لمياه البحر. تحت نفس ظروف التشغيل، قدّم الغشاء المحسّن الذي يحتوي على 0.2 في المئة سبيكة تدفق بخار ماء أعلى بنحو 47 في المئة من صفح PVDF العادي. بلغ تدفقه 29.1 كيلوجرامًا من الماء لكل متر مربع في الساعة مع استمرار حجز معظم الملح الذائب. أظهرت تركيبات أخرى، بما في ذلك واحدة بمحتوى بوليمر أعلى وسبيكة أقل، مسامية أقل وتدفقًا أقل ومقاومة أعلى للتدفق، رغم أنها كانت قوية ميكانيكيًا. أبرز هذا الحاجة إلى ضبط عدة عوامل معًا بدلاً من تغيير مكوّن واحد فقط.

ماذا يعني هذا لمستقبل المياه النظيفة

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن تغييرات صغيرة داخل مرشح يمكن أن تُحدث تأثيرًا كبيرًا في كفاءته في تحويل المياه المالحة إلى عذبة. من خلال رش جزيئات مغناطيسية على شكل نجوم بحرية وضبط وصفة البلاستيك، أنشأ الفريق غشاءً يحمل بخار الماء بسرعة أكبر، ويظل قويًا عند درجات حرارة عالية، وما زال يمنع الملح من العبور. بينما ركزت الدراسة على اختبارات قصيرة الأمد في المختبر، فإنها تشير إلى اتجاه واعد لأنظمة إزالة الملوحة المستقبلية التي تستخدم حرارة منخفضة الجودة أو الطاقة الشمسية. مع مزيد من العمل على الثبات على المدى الطويل ومقاومة التلوث، قد تساعد مثل هذه الأغشية على جعل إنتاج المياه النظيفة أكثر كفاءة وأكثر توفراً على نطاق أوسع.

الاستشهاد: Farag, E., Nady, N. & El-Zanati, E. Development of a Polyvinylidene fluoride–based membrane incorporating magnetic iron–nickel alloy for vacuum membrane distillation desalination. Sci Rep 16, 15501 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52863-3

الكلمات المفتاحية: إزالة الملوحة, التناضح الغشائي, غشاء PVDF, سبيكة مغناطيسية, معالجة المياه