פיתוח ממברנות פוטותרמיות על בסיס PPy בעלות תפקוד כפול עמיד לייבוש מים מתוקים ומליחים במקביל

הפיכת אור השמש למים לשתייה ומלחים שימושיים

מיליארדי בני אדם חיים באזורים שבהם מים נקיים נדירים, אף שהאוקיינוסים ומי שפכים מלוחים נמצאים סביבנו. המחקר הזה חוקר סוג חדש של ממברנה מבד שמנצלת רק אור שמש כדי לייצר מים מתוקים ממקורות מלוחים או מזוהמים, ובמקביל לשחזר מלחים בעלי ערך במקום לזרוק אותם. הגישה שואפת להפחית את צריכת האנרגיה, להוריד עלויות ולצמצם פסולת נוזלית, ומציעה נתיב מעשי לעבר מים נקיים ושימוש חסכוני במשאבים.

בד פשוט שסופג אור שמש

הלב של העבודה הוא ציפוי דק וחשוך העשוי מפוליפירול (PPy), פלסטיק מוליך, המונח על בדים פוליאסטר רגילים. כשהשמש פוגעת ב‑PPy, הוא סופג אור בעוצמה רחבה של צבעים והופך אותו לחום ביעילות גבוהה. החוקרים השתמשו בשיטה ללא ממס בשם פולימריזציה באידוי כימית כדי ליצור שכבת PPy אחידה על בד ארוג או לא ארוג. בעיצוב חכם, מצפים רק את הצד העליון של הבד, ומשאירים את הצד התחתון הידרופילי כך שיוכל למשוך מים מלמטה בעוד הצד העליון החשוך פונה לשמש ומתחמם. עיצוב זה שומר על זרימת מים קבועה לפני השטח החם תוך מזעור השימוש בחומרים וכימיקלים.

כוונון המתכון לחימום מקסימלי

לבניית שכבת ה‑PPy בדקו החוקרים מספר ממסרי חמצון — כימיקלים שמניעים את הפולימריזציה — כולל כלוריד ברזל, כלוריד נחושת, פרסולפט אמוניום, פרמנגנט פוטסיום ודיכרומט נתרן. על‑ידי שינוי הריכוז והכמות הקטנה של המונומר פירול, הם מצאו תנאים שהניבו עור PPy רציף ושחור כגחלים על הסיבים. מיקרוסקופיה הראתה שהסיבים המצופים פיתחו משטח מחוספס ועדין, שמפחית השתקפות אור ועוזר ללכוד יותר אנרגיית שמש. מדידות אורך גל אישרו שהממברנות הטובות ביותר ספגו יותר מ‑94% מהאור הנכנס מטווח האולטרסגול ועד אינפרא‑אדום, הרבה מעל לבדים החשופים. תחת תאורת שמש סטנדרטית (עוצמת שמש בצהרי יום), הממברנות המותאמות התחממו במהירות לכ־60–65 °C, חם בהרבה מהבד ללא הציפוי.

הגברת אידוי באמצעות עור חם ודק

כאשר הבדים המצופים ב‑PPy צפו על פני מים וחשפו אותם לאור שמש מדומה, הם הגדילו משמעותית את קצב האידוי. מים חשופים ללא ממברנה התאדו באיטיות, בכ־0.22 קילוגרם למטר מרובע לשעה. הוספת בד חשוף כבר שלשה את הקצב הזה, אך ציפוי ה‑PPy דחף אותו גבוה יותר: עד 0.95 קג·מ−2·ש−1 עבור בד לא ארוג שטופל בכלוריד נחושת ועוד 0.93 קג·מ−2·ש−1 עבור בד ארוג שטופל בפרסולפט אמוניום. אף שנעשה שימוש בכמויות זעירות של פירול, הממברנות השיגו יעילות המרה מאור לחום של כ‑57%. בתאורת שמש מרוכזת בעוצמה של פי שלוש — בדומה לשמש מרוכזת — הממברנה הטובה ביותר הובילה לאידוי של עד 2.91 קג·מ−2·ש−1 תוך יציבות במחזורי חימום חוזרים.

מים מתוקים למעלה, גבישים בקצה

מעבר לייצור מים נקיים, הממברנות הללו תוכננו גם לסייע בשחזור המלחים שאחרת היו הופכים לפסולת. כשמקררים פני השטח והמים מתאדים, האובך העולה נאסף ומתעבה למים כמעט טהורים, בעוד שהתמיסה הנותרת מרוכזת. מאחר שהמשטח של ה‑PPy הידרופובי ומחוספס, גבישי מלח נוטים להיווצר בקצוות אזור האידוי במקום לסתום את האזור החם המרכזי. במבחנים עם נתרן כלורי, סולפט נחושת וכלוריד ברזל בריכוזים שמחקים מי ים ומלחים תעשייתיים, המערכת שמרה על קצבי אידוי גבוהים ויצרה טבעות מלח נראות שניתן לאסוף בקלות. בהדגמה אחת, ממברנה שעבדה על תמיסה בריכוז 7% שחזרה 100% מהמלח המומס, בקצב איסוף של כ‑58.6 גרם למטר מרובע לשעה, וכל זאת תוך המשך ייצור מים מתוקים.

לעבר מים נקיים ללא נוזל שנותר מאחור

בצורה יומיומית, המחקר מראה שחומר דמוי בד בעל עלות נמוכה יכול להפוך אור שמש הן למים לשתייה והן למלח שניתן להשתמש בו שוב, ללא צורך במשאבות בלחץ גבוה, אלקטרוניקה מורכבת או כמות גדולה של כימיקלים. הממברנות המצופות ב‑PPy עמידות, ניתנות לכיבוס ותואמות למי מלח ולמי שפכים מהעולם האמיתי, כולל זרמים חומציים או בסיסיים. מאחר שהן יכולות לרכז שפכים מלוחים עד שכמעט ולא נותר נוזל, הן תומכות במטרה השאפתנית של "פליטה נוזלית אפסית", שבה המים ממוחזרים והחומרים המוצקים משוקמים במקום להושלך. עם הנדסה נוספת והגדלה בקנה מידה, ממברנות מופעלות שמש כאלו יכולות למלא תפקיד מרכזי במערכות קטנות ומבוזרות המסייעות לקהילות חופיות, לחקלאות ולתעשייה להשיג מים מתוקים תוך הפחתת זיהום ופסולת.

ציטוט: 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

מילות מפתח: התפלת מים סולארית, ממברנה פוטותרמית, איסוף מים מתוקים, שיקום מלח, פליטה נוזלית אפסית