توسط دانشگاه ییل-24 جولای 2023-اعتبار: دانشگاه ییل
استخراج موثر منابع با ارزش از آب می تواند راه طولانی در جهت ارتقای امنیت ملی و در عین حال به محیط زیست کمک کند. دو مطالعه اخیر از آزمایشگاه پروفسور مناخم الیملک دیدگاه‌هایی را در مورد راه‌های رویکرد به این تلاش ارائه می‌دهد.
استفاده از غشاهای توسعه‌یافته ویژه برای استخراج مواد حیاتی از آب – روشی به نام نانو فیلتراسیون – به طور بالقوه مزایای زیادی برای امنیت ملی و محیط زیست دارد. با این حال، برای اینکه واقعاً مؤثر باشد، تیم تحقیقاتی Elimelech از دانشمندان همکار خود می‌خواهد تا تلاش‌های خود را بر اساس مواد خاص انجام دهند. آنها کار خود را در One Earth منتشر کردند.
نرخ بالای مصرف مواد حیاتی – که می تواند شامل آب، فلزات، عناصر خاکی کمیاب، مواد مغذی و داروها باشد – نه تنها زنجیره تامین آنها را به خطر می اندازد، بلکه برای محیط زیست نیز مضر است. برای مثال، افزایش تقاضا برای باتری‌ها، عرضه لیتیوم را که یک عنصر ضروری برای فناوری‌های انرژی کم کربن است، به خطر انداخته است. برای پاسخگویی به تقاضای بلندمدت، بسیار مهم است که از اتکای شدید به استخراج، مصرف یکبار مصرف و دفع دور شویم.
و مواد معدنی حیاتی مانند لیتیوم، کبالت و عناصر خاکی کمیاب به دلیل نقش اساسی آنها در فناوری های پیشرفته مانند وسایل نقلیه الکتریکی، سیستم های انرژی تجدیدپذیر و کاربردهای دفاعی برای امنیت ملی حیاتی هستند. تامین امنیت داخلی آنها برای کاهش اتکا به منابع خارجی و حفظ رقابت در صنایع کلیدی لازم برای رشد اقتصادی و قابلیت‌های دفاعی بسیار مهم است.
غشاهای نانوفیلتراسیون ابزار موثری برای رسیدن به این اهداف هستند. در میان کاربردهای دیگر، نانوفیلتراسیون در حال حاضر برای نرم کردن آب، حذف الکل از آبجو، و برای تهیه کنسانتره آبمیوه استفاده می شود.
Luis Francisco Villalobos، محقق فوق دکترا و نویسنده اصلی مقاله، می گوید: «در حال حاضر از نانوفیلتراسیون به طور گسترده استفاده می شود، اما ما فکر می کنیم که هنوز پتانسیل زیادی وجود دارد که نمی توانیم از آن استفاده کنیم، فقط به دلیل اینکه غشاهای مناسبی نداریم.
فناوری نانو فیلتراسیون از یک غشای نانومتخلخل استفاده می‌کند که به عنوان فیلتر مولکولی عمل می‌کند و بین مواد مختلف در مخلوط تمایز قائل می‌شود. برخلاف غشاهای اسمز معکوس که اکثر یون ها و مولکول های بدون بار را دفع می کنند، غشاهای نانوفیلتراسیون به برخی از املاح اجازه عبور از نانوحفره ها را می دهند که امکان بازیابی حیاتی ترین مواد را فراهم می کند.
با این حال، برای آزادسازی کامل مزایای زیست‌محیطی نانوفیلتراسیون، محققان می‌گویند که لازم است ویژگی‌های غشاء را برای تمایز بهتر بین اجزای محلول در جریان خوراک بهینه کرد. برای ایجاد غشاهای نانوفیلتراسیون نسل بعدی، این حوزه باید درک خود را از اصول اساسی طراحی و ساخت غشاهای انتخابی تک گونه ارتقا دهد. این راه را به سمت استراتژی های مناسب برای هدف با اهداف خاص هدایت می کند.
ویلالوبوس گفت: “اگر غشاها بهتر طراحی شوند، می توانیم از آنها برای جداسازی املاح پیچیده تری که بسیار شبیه به یکدیگر هستند، استفاده کنیم. و این می‌تواند پتانسیل بسیار زیادی برای افزایش دایره‌ای برخی مواد حیاتی داشته باشد.»
به عنوان مثال، او گفت، اگر منافذ یک غشای نانوفیلتراسیون طوری طراحی شده باشند که بتوانند بین لیتیوم و سایر یون‌ها تمایز قائل شوند، این فرآیند به طور بالقوه می‌تواند برای بازیابی لیتیوم از منابع غیرمتعارف مانند آب نمک حاصل از تولید نفت و گاز استفاده شود.
Elimelech، پروفسور استرلینگ مهندسی شیمی و محیط زیست، گفت که این رشته می تواند از سیستم های بیولوژیکی برای الهام گرفتن استفاده کند. به عنوان مثال، بدن ما حاوی غشاهایی است که می توانند بین پتاسیم و سدیم که بسیار شبیه هم هستند، باعث تفکیک شوند.
او گفت: “اگر شما بتوانید چنین شیمی را در این غشاها بگنجانید، فکر می کنم ما می توانیم این نوع کارها را انجام دهیم.”
مطالعه One Earth اندکی پس از مقاله دیگری که آزمایشگاه Elimelech در مورد موضوعی مشابه منتشر کرد، انجام شد. در ماه ژوئن در Nature Water، گروه Elimelech در مورد اهمیت اولویت بندی فلزاتی که باید از پساب و آب نمک بازیافت شوند، نوشتند.
رایان دوچانویس، سرپرست تیم تحقیق، پژوهشگر فوق دکترا در دانشگاه رایس ، می‌گوید: «ما می‌خواهیم برخی از این فلزات را که در غیر این صورت هدر می‌روند، بازیابی کنیم، زیرا ارزش بالایی دارند و به‌طور بالقوه کمبود داریم ، به‌ویژه که فلزات با انتقال انرژی بیشتر و بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند اما از آنجایی که فلزات مختلف در جدول تناوبی بسیار زیاد است، نمی‌توانیم روی همه آنها تمرکز کنیم.»
این مقاله امکان سنجی بازیابی این فلزات از منابع مختلف آب را با تخمین هزینه های عملیاتی مورد نیاز برای مطابقت با قیمت های بازار ارزیابی می کند. همچنین مواد و فرآیندهایی را برجسته می کند که با تحقیق و توسعه بیشتر می توانند جایگزین های پایدارتری برای بازیافت فلزات باشند.
الیملک گفت: “غلظت لیتیوم در اقیانوس بسیار کم است و از آنجایی که غلظت آن بسیار کم است، باید میلیون ها گالن آب را پردازش کنید و مقرون به صرفه نخواهد بود.”
در ادامه، دوشانوی گفت که امیدوار است فهرست فلزات اولویت‌دار را محدودتر کند و شاهد تلاش‌های بیشتری برای توسعه فناوری‌های بازیابی باشد که تقاضای شیمیایی پایین و مصرف انرژی پایینی دارند.
