مطالعه ای که در Politecnico di Torino (ایتالیا) با همکاری نزدیک با مؤسسه فناوری ماساچوست (ایالات متحده آمریکا) انجام شد و توسط مجله Nature Communications منتشر شد، روشی نوآورانه برای بهبود عملکرد غشاهای نمک زدایی را نشان می دهد. در آینده، غشاهای اسمز معکوس که با این معیارهای جدید تولید می‌شوند، می‌توانند آب دریا را با هزینه‌های قابل‌توجهی کاهش دهند.
نمک زدایی آب دریا با هزینه های کاهش یافته: این هدف بلندپروازانه مطالعه تیمی از مهندسان وزارت انرژی در Politecnico di Torino (تورینو، ایتالیا) با همکاری موسسه فناوری ماساچوست-MIT است. (کمبریج، ایالات متحده آمریکا) و دانشگاه مینه سوتا (مینیاپولیس، ایالات متحده آمریکا).مجله Nature Communications اخیراً نتایج این تحقیق را منتشر کرده است، بنابراین مسیر جدیدی را در توسعه فناوری‌ها برای فرآیندهای نمک‌زدایی مبتنی بر غشاء باز می‌کند که می‌تواند راه‌حل‌های نوآورانه‌ای برای مسئله کمبود آب فعلی در چندین کشور ارائه کند..
آب دریا را می توان با استفاده از یک غشاء، یعنی یک "الک" که قادر به جداسازی مولکول های آب از یون های نمک محلول است، نمک زدایی و قابل آشامیدن کرد. انرژی مورد نیاز در این فرآیند جداسازی می تواند توسط منابع گرما، میدان الکترومغناطیسی یا فشار هیدرولیک تامین شود. به طور خاص، تحقیقات ارائه شده توسط موسسات ایتالیایی و آمریکایی بر فرآیند نمک زدایی توسط اسمز معکوس متمرکز شده است، که بر اساس ظرفیت برخی از مواد متخلخل - تحت فشارهای بزرگتر از اسمزی - برای نفوذ فقط توسط مولکول های آب است. رد یون های نمک.
این فرآیند را می توان بهتر به عنوان مجموعه ای از وسایل نقلیه که در صف عوارضی برای ورود به بزرگراه هستند تصویر کرد.محققان Politecnico توضیح می‌دهند: «فرض کنید که موتورسیکلت‌ها مولکول‌های آب هستند در حالی که خودروها یون‌های نمک محلول هستند، و هر دو با صبر و حوصله در ردیف عوارضی هستند». "حالا، بیایید تصور کنیم که دهانه باجه عوارضی تنها یک متر عرض دارد: موتورسیکلت‌ها می‌توانند به راحتی بر مانع غلبه کنند و بنابراین وارد بزرگراه شوند، در حالی که خودروها مجبور به تغییر مسیر می‌شوند. به طور مشابه، غشاهای اسمز معکوس امکان حمل و نقل را فراهم می‌کنند. از مولکول‌های آب، در حالی که نمک‌های محلول را مسدود می‌کنند. بنابراین، غشاهای کارآمد با نرخ انتقال آب زیاد در انرژی ورودی ثابت و سطح مؤثر، یعنی نفوذپذیری بالا مشخص می‌شوند.»
با این حال، محققان در Politecnico di Torino، MIT و دانشگاه مینه‌سوتا قدمی فراتر برداشته‌اند و برای اولین بار قادر به درک مکانیسم‌های تنظیم کننده انتقال آب از یک طرف (آب شور) به سمت آب هستند. دیگر (آب شیرین) غشاء. در واقع، آزمایشگاه تحقیقاتی MIT به طور تجربی ضریب انتشار آب نفوذ کرده، یعنی تحرک مولکول‌های آب را هنگام عبور از غشاء اندازه‌گیری کرده است.این غشاها از زئولیت ساخته شده‌اند که ماده‌ای است که با شبکه‌ای متراکم (و منظم) از منافذ با قطر زیر نانومتری (کمتر از یک میلیاردم متر) مشخص می‌شود. با این حال، به نظر می رسد ضریب انتشار آزمایشی آب تقریباً یک میلیون بار کمتر از چیزی است که توسط شبیه سازی ها و تحلیل های نظری انتظار می رود، همانطور که توسط محققان Politecnico di Torino اندازه گیری شده است. معمایی که به لطف برنامه تحقیقاتی مشترک MITOR که توسط Compagnia di San Paolo تامین می شود، به بیش از دو سال فعالیت بین تورینو و بوستون نیاز داشت.
سپس محققان توضیح می‌دهند که: «در حالی که مطالعات قبلی عمدتاً بر فرآیند انتقال درون غشاء متمرکز بود، ما توجه را به آنچه در سطح اتفاق می‌افتاد معطوف کرده‌ایم، جایی که واقعاً می‌توان راه‌حل پازل را پیدا کرد.» در واقع، انتقال آب از طریق غشاء توسط یک سری از دو پدیده کنترل می شود: اول، مولکول های آب باید یک منافذ باز پیدا کنند (مقاومت سطحی در برابر انتقال). سپس، آنها می توانند وارد غشاء شوند و در داخل غشا پخش شوند (مقاومت حجمی در برابر حمل و نقل)، در نهایت از طرف دیگر غشا نشت می کنند."با بازگشت به تشبیه قبلی، افزودن خطوط بزرگراه بیشتر می تواند به عنوان یک استراتژی ناکافی برای سرعت بخشیدن به سفر موتورسواران از طریق بزرگراه آشکار شود. در واقع، ما همچنین باید اطمینان حاصل کنیم که تعداد کافی باجه باز عوارض در دسترس است تا از این امر جلوگیری کنیم. به گفته محققان، ترافیک در ورودی (و خروجی) بزرگراه.
بنابراین دانشمندان نشان داده‌اند که تفاوت مرتبه‌ای بین مقادیر نظری و تجربی نفوذپذیری غشا به دلیل مقاومت در برابر انتقال آب است که توسط سطح غشاها نشان داده شده است. این مقاومت ناشی از تکنیک های فعلی ساخت غشاهای زئولیت است که باعث بسته شدن بیش از 99.9 درصد از دهانه های منافذ موجود می شود. به عبارت دیگر، مولکول‌های آب می‌توانند از طریق حداقل کسری (یک در هزار) از منافذ سطحی نفوذ کنند: این باعث ایجاد یک اثر گلوگاه می‌شود که انتقال کلی آب از طریق غشاء را کند می‌کند و بنابراین نفوذپذیری غشا را به شدت کاهش می‌دهد.ماتئو فاسانو، السیو بیویلاکوا، الیودورو چیاوازو، پیترو آسیناری (آزمایشگاه مدلسازی چندمقیاس، گروه انرژی در Politechnico di Torino)، توماس هامپلیک، اولین وانگ (آزمایشگاه تحقیقات دستگاه، MIT) پس از بیش از دو سال گذراندن روی شبیه‌سازی‌ها و آزمایش‌های کامپیوتری) و مایکل تساپاتیس (گروه تحقیقاتی Tsapatsis، دانشگاه مینه سوتا) از این مکانیسم پرده برداری کرده اند و یک مدل فیزیکی دقیق از فرآیند نفوذ آب کلی پیشنهاد کرده اند.
این یافته‌ها به وضوح نشان می‌دهند که غشاهای نمک‌زدایی نسل بعدی با عملکرد پیشرفته را می‌توان با تکنیک‌های ساختی که به کاهش مقاومت سطح در برابر حمل‌ونقل اجازه می‌دهد، یعنی باز کردن بخش بزرگ‌تری از منافذ سطحی، دست یافت. محققان تخمین می زنند که غشاهای تولید شده بر اساس این معیارها پتانسیل دستیابی به نفوذپذیری 10 برابر بزرگتر از غشاهای فعلی را دارند و در نتیجه هزینه های عملیاتی در فرآیندهای نمک زدایی را کاهش می دهند. این درک جدید از پدیده های حمل و نقل سطحی و حجمی همچنین زمینه جدیدی را در کاربردهای دیگری که در آنها از مواد نانو متخلخل استفاده می شود، ایجاد می کند: از فناوری های انرژی پایدار (به عنوان مثال، ذخیره سازی حرارتی) تا حذف آلاینده ها از آب (به عنوان مثال، غربال های مولکولی)، تا به نانوپزشکی (به عنوان مثال، تحویل دارو).
