الهام از بدن برای تصفیه آب

  یک گروه چندرشته‌ای از مهندسان و دانشمندان روش جدیدی را برای تصفیه آب کشف کرده‌اند که می‌تواند بر تکنولوژی‌هایی چون نیروگاه‌های آب‌شیرین‌کن، پارچه‌های محافظ و پارچه‌هایی که هوا از آن عبور می‌کند و همچنین جذب کربن در جداسازی گاز تأثیر بسزایی داشته باشد. این گروه پژوهشی به سرپرستی مانیش کومار در دانشکده مهندسی کاکرل دانشگاه تگزاس در استین، یافته‌های خود را در جدیدترین شماره مجله Nature Nanotechnology منتشر کرده‌اند.

به گزارش phys.org، این مطالعه که با همکاری پژوهشگران دانشگاه UT Austin، Penn State University، دانشگاه تنسی، دانشگاه فودان و دانشگاه ایلینویز درUrbana-Champaign انجام شده است، در ابتدا از روشی که سلول‌های بدن برای انتقال آب در سراسر بدن استفاده می‌کنند، الهام گرفته شد و سپس با توسعه کانال‌های مصنوعی به‌منظور انتقال آب در سراسر غشاها این کار آغاز شد. قرار بود که از آکواپورین‌ها و پروتئین‌های غشایی که به‌عنوان کانال‌های آب مورد استفاده قرار‌می‌گیرند و در سلول‌های خاصی یافت می‌شوند، تقلید شود. آکواپورین که به آن کانال‌های آب نیز می‌گویند، پروتئین‌های غشایی جدایی‌ناپذیری از خانواده بزرگ‌تری از پروتئین‌های اصلی هستند که منافذ موجود در غشای سلول‌های بیولوژیکی را تشکیل می‌دهند و عمدتا انتقال آب بین سلول‌ها را تسهیل می‌کنند. در واقع، آکواپورین‌ها به‌عنوان سیستم‌های تصفیه آب سریع و کارآمد شناخته می‌شوند. آنها در غشای سلول‌ها در قسمت‌های مختلف بدن مانند چشم‌ها، کلیه‌ها و ریه‌ها که بیشترین تقاضا را برای آب دارند، منافذی ایجاد می‌کنند.
کومار و این تیم نتوانستند سیستم آکواپورین را دقیقا طبق برنامه‌ریزی اجرا کنند. با این حال، آنها یک فرایند تصفیه آب کارآمدتر را کشف کردند. برخلاف سلول‌های آکواپورین بدن که مستقل از یکدیگر عمل می‌کنند، غشاهای تولید شده توسط گروه پژوهشی کومار به‌صورت مستقل، به خوبی کار نمی‌کنند.
با این حال، هنگامی که او تعدادی از آنها را برای ایجاد شبکه‌های مفتول‌های آب ترکیب کرد، آنها در انتقال و تصفیه آب بسیار مؤثر عمل کردند. مفتول‌های آب زنجیره‌های متراکم از مولکول‌های آب هستند که همانند قطار و اتومبیل بسیار سریع حرکت می‌کنند.

روش کاملا جدید
کومار که استادیار گروه مهندسی عمران، معماری و محیط‌زیست دانشکده کاکرل است، می‌گوید: ما در تلاش بودیم فرایند حمل‌ونقل پیچیده آب را که پیش از این آکواپورین‌ها استفاده می‌کردند، کپی کنیم و به یک روش کاملا جدید و حتی بهتر نیز دست یابیم. این موضوع کاملا اتفاقی بود و ما هیچ تصوری از این اتفاق نداشتیم.
این شبکه از غشاهای مصنوعی می‌تواند برای جداسازی نمک از آب که اکنون یک فرایند ناکارآمد و پرهزینه محسوب می‌شود، مفید باشد. غشای جدید خواص نمک‌زدایی فوق‌العاده‌ای را نشان داده است و در مقایسه با فرایندهای فعلی در نمک‌زدایی و حذف سایر آلودگی‌ها به‌مراتب کارآمدتر عمل می‌کند.
کومار اظهار می‌کند: روش ما هزار‌برابر کارآمدتر از فرایندهای نمک‌زدایی کنونی از نظر گزینش مواد و نفوذپذیری آن است. به ازای هر 10هزار مولکول آب نمک که از سیستم‌های نمک‌زدایی کنونی عبور می‌کنند، یک مولکول نمک ممکن است تصفیه نشده باشد. با استفاده از این تکنولوژی جدید، یک مولکول نمک در هر 10میلیون مولکول آب فیلتر نمی‌شود، درحالی‌که حفظ سرعت انتقال آب قابل مقایسه یا حتی بهتر از غشاهای فعلی است. کومار در کل دوران کاری خود بر ساخت مواد و فرایندهایی که مربوط به کارایی مدل‌های مولکولی بیولوژیک است، تمرکز کرده و آنها را در مقیاس‌های مهندسی اجرا کرده است.
وی می‌گوید: تقلید کارآمد از عملکردهای پیچیده بدن انسان به‌ویژه در سطح مولکولی کار بسیار دشواری است. با این حال، این بار، طبیعت نقطه شروعی برای
کشفی به‌مراتب بزرگ‌تر از آن چیزی بود که می‌توانستیم تصور کنیم.

فرایندهای غشایی یا اسمز معکوس

در روش‌های غشایی با استفاده از انواع فرایند اسمز معکوس، میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون و نانوفیلتراسیون با استفاده از غشاهای نیمه‌تراوا اقدام به جداسازی نمک از آب دریا و شیرین‌سازی آب می‌کنند. استفاده از این روش‌ها به‌دلیل صرفه‌جویی در مصرف انرژی، کاهش فضای مورد نیاز به‌علت کم‌حجم بودن مدول‌های غشایی، سریع‌تر بودن فرایند و بالا بودن سرعت انتقال جرم، توانایی انجام کار در دمای پایین و نیز هزینه‌ پایین سرمایه‌گذاری در آن کاربردهای بیشتری نسبت به فرایندهای حرارتی دارد.

تصفیه سریع آب
 آکواپورین‌ها به‌عنوان سیستم‌های تصفیه آب سریع و کارآمد شناخته می‌شوند. آنها در غشای سلول‌ها در قسمت‌های مختلف بدن مانند چشم‌ها، کلیه‌ها و ریه‌ها که بیشترین تقاضا را برای آب دارند، منافذی ایجاد می‌کنند