فرایند آب‌شیرین‌کن خورشیدی به بازده بالایی رسید!

به گزارش مجله خبری نگار/به نقل از ستاد نانو، این دستاورد با تغییر ساختار سطح غشا‌های پلی‌وینیلیدن فلوراید (PVDF) و افزودن نانوذرات کربن حاصل شده است؛ سطحی متخلخل و خشن که نور خورشید را به‌طور مؤثر جذب و ذخیره می‌کند و همزمان انتقال آب را تسهیل و مقاومت غشا در برابر خیس شدن را افزایش می‌دهد. غشا‌های توسعه یافته نه تنها بازده بالایی دارند، بلکه با فناوری سطح ضدآب نانویی، عملکرد پایدار طولانی‌مدت حتی در حضور مواد فعال سطحی تضمین شده است. این پروژه نمونه‌ای از همگرایی مهندسی مواد، فناوری نانو و کاربرد‌های انرژی تجدیدپذیر است.

بحران‌های آب و انرژی یکی از مهم‌ترین چالش‌های جهانی قرن حاضر محسوب می‌شوند و کشور‌های مختلف به دنبال راهکار‌هایی برای تأمین پایدار آب شیرین هستند. یکی از مسیر‌های پیشرفته و کارآمد، استفاده از انرژی خورشیدی برای تبخیر و تقطیر آب از طریق غشا‌های نیمه‌تراوا است که در فرآیندی موسوم به Photothermal Vacuum Membrane Distillation (PVMD) انجام می‌شود. در این مسیر، کیفیت سطح غشا، نقش تعیین‌کننده‌ای در بازده تبخیر و مقاومت غشا در برابر خیس شدن ایفا می‌کند.

محققان دانشگاه صنعتی اصفهان با هدف افزایش بازده و طول عمر عملیاتی این فناوری، غشا‌های PVDF با ساختار سطحی بهینه را طراحی کرده‌اند. این تیم با بهره‌گیری از فناوری نانو، نانوذرات کربن را به محلول‌های پلی‌وینیلیدن فلوراید اضافه کرده و با استفاده از روش‌های الکتروریسی و کستینگ غشا‌هایی با سطحی خشن و متخلخل تولید کردند. ویژگی نانوذرات کربن در این سیستم دوگانه است؛ از یک طرف جذب نور و تبدیل آن به گرما را افزایش می‌دهند و از طرف دیگر با ایجاد شبکه‌های رسانای حرارتی موضعی، تبخیر را تسهیل می‌کنند.

مطالعات انجام شده نشان می‌دهد که ساختار سطح غشا با پارامتر‌هایی مانند زبری متوسط و تخلخل رابطه‌ای مستقیم دارد و هر چه سطح خشن‌تر و متخلخل‌تر باشد، نور خورشید بهتر جذب شده، انتقال مولکولی بهینه می‌شود و مقاومت غشا در برابر خیس شدن کاهش می‌یابد. برای نمونه، غشایی با زبری سطح متوسط ۳۰۶.۷ نانومتر و تخلخل ۳۲.۶٪ بیشترین بازده تبخیر را داشت که به ۹۳.۵ درصد رسید. در مقابل، غشا‌هایی با زبری ۱۰۱.۱ نانومتر و تخلخل ۵ درصد تنها ۶۰.۷ درصد بازده داشتند.

یک ویژگی کلیدی این غشاها، تغییر سطح با استفاده از پلاسمای کم فشار و مونومر‌های پرفلوئوروکتیل آکریلات است که سطح را Omniphobic یا ضدآب و ضدچربی می‌کند. این اصلاح سطحی باعث می‌شود غشا در تماس طولانی‌مدت با محلول‌های خوراک شامل سورفکتانت‌ها، عملکرد پایدار خود را حفظ کند. آزمایش‌ها نشان دادند که غشا‌ها حتی در حضور ۰.۶ میلی‌مولار سدیم دودسیل سولفات به مدت ۵۴۰ دقیقه بدون کاهش بازده کار می‌کنند.

این پژوهش نشان داد که ترکیب نانو و مهندسی سطح امکان طراحی غشا‌هایی را فراهم می‌آورد که هم عملکرد تبخیر بالا داشته باشند و هم در برابر خیس شدن و تجمع آلاینده‌ها مقاوم باشند. به گفته تیم تحقیقاتی، این نوع طراحی می‌تواند زمینه را برای تولید آب شیرین از منابع مختلف و به‌ویژه در مناطق کم‌آب فراهم کند و همزمان با بهره‌گیری از انرژی خورشیدی، مصرف انرژی و هزینه‌های عملیاتی را کاهش دهد.

روش کار این است که با تغییر سرعت چرخش جمع‌آوری در الکتروریسی و پارامتر‌های محلول، زبری و تخلخل سطح غشا قابل کنترل است. این پارامتر‌ها به‌صورت مستقیم بر فعالیت فوتوترمال تأثیر می‌گذارند و رابطه‌ای خطی با ضریب تعیین بالای ۰.۹ نشان می‌دهند که طراحی دقیق سطح، عملکرد غشا را پیش‌بینی‌پذیر و قابل اطمینان می‌کند.

غشا‌های تولید شده، علاوه بر بازده بالا، جریان نفوذ (Permeate Flux) برابر ۲.۸۵ کیلوگرم بر متر مربع در ساعت ارائه دادند و به دلیل اصلاح نانویی سطح، پایداری طولانی مدت خود را حفظ کردند. این ویژگی‌ها، PVMD را به یک فناوری عملی برای واحد‌های کوچک و بزرگ آب‌شیرین‌کن تبدیل می‌کند که می‌توانند در مناطق با نور خورشید محدود یا با حضور آلاینده‌ها عملکرد قابل اعتماد داشته باشند.

در نهایت، این پروژه نمونه‌ای موفق از ادغام مهندسی پلیمر، فناوری نانو و کاربرد‌های انرژی تجدیدپذیر است که می‌تواند راه را برای تولید آب شیرین پایدار با استفاده از انرژی خورشیدی هموار کند و محدودیت‌های فعلی غشا‌های سنتی را از بین ببرد.