Assessment of Metal-Organic Framework Incorporated Thin Film Nanocomposite Membrane in Real Seawater Desalination Via Pressure Assisted Osmosis
تُظهر هذه الدراسة أن دمج 0.05% وزناً من الإطار المعدني العضوي (MOF) المحب للماء من فومارات الألومنيوم في أغشية المركبات النانوية ذات الغشاء الرقيق يعزز بشكل كبير من نفاذية الماء ورفض الأملاح، محققاً تدفقاً مستقراً قدره 9.35 لتر م⁻² ساعة⁻¹ لتحلية مياه البحر الفعلية بكفاءة عبر التناضح المدعوم بالضغط.
المؤلفون الأصليون:Rajesha Kumar Alambi, Mansour Ahmed, Garudachari Bhadrachari, Mansour Al-Rughaib, Jibu P. Thomas
تُعد المياه العذبة مورداً ثميناً، وتحويل ملوحة المحيطات إلى سائل صالح للشرب يمثل أحد التحديات الهندسية المستمرة التي تواجه البشرية. لعقود من الزمن، اعتمد العلماء على طريقة تسمى التناضح العكسي، والتي تفرض تمرير مياه البحر عبر مرشح دقيق باستخدام ضغط هائل لعصر الملح وإخراجه. ورغم فاعلية هذه العملية، إلا أنها تتطلب قدراً كبياً من الطاقة. وهناك نهج أحدث وأكثر لطفاً يُعرف بالتناضح الأمامي، يستخدم الجذب الطبيعي لمحلول ملحي لسحب الماء عبر غشاء، وهو ما يتطلب طاقة أقل بكثير، ولكنه غالباً ما ينتج كميات قليلة من الماء لا تكفي للاستخدام على نطاق واسع. ولتجسير هذه الفجوة، طور الباحثون تقنية هجينة تسمى التناضح المدعوم بالضغط. تجمع هذه الطريقة بين الجذب الطبيعي للتناضح والدفعة اللطيفة والبسيطة من الضغط الهيدروليكي، بهدف تسريع تدفق المياه العذبة دون التكاليف الطاقية الضخمة للأساليب التقليدية. ومع ذلك، فإن نجاح هذه التقنية يعتمد كلياً على جودة الغشاء المستخدم؛ إذ يجب أن يكون قوياً بما يكفي لتحمل الضغط، وفي الوقت نفسه مسامياً بما يكفي للسماح للمياه بالتدفق بسرعة مع إبقاء الملح خلفه.
في دراسة حديثة، وضع باحثون في معهد الكويت للأبحاث العلمية هدفاً يتمثل في بناء غشاء أفضل لهذا الغرض تحديداً. فقد ركزوا على إنشاء غشاء "نانو-مركب" ذو طبقة رقيقة، وهو مادة متطورة تعمل كحاجز انتقائي. ولتحسين أدائه، قاموا بدمج بلورات مسامية دقيقة تُعرف باسم "الأطر المعدنية العضوية" داخل سطح الغشاء. وبشكل محدد، استخدموا نوعاً من البلورات المكونة من الألمنيوم وحمض الفوماريك، وهي مادة اختيرت لقدرتها على جذب جزيئات الماء واستقرارها في البيئات الملحية. قام الفريق بتصنيع هذه الأغشية عن طريق وضع طبقات من نسيج داعم مسامي مع طبقة جلدية رقيقة من البوليميد، وهي عملية تم فيها خلط بلورات الألمنيوم لخلق مسارات جديدة لانتقال الماء. ثم اختبروا هذه الأغشية الجديدة باستخدام مياه بحر حقيقية جُمعت من الساحل، حيث دفعوا الماء ضد محلول ملحي عالي التركيز تحت مستويات متفاوتة من الضغط اللطيف لمعرفة مقدار المياه التي يمكن استردادها ومدى جودة حجز الملح.
كانت نتائج الدراسة مشجعة؛ فقد وجد الباحثون أن إضافة بلورات الألمنيوم غيرت سلوك الغشاء بشكل كبير. أصبحت الأغشية الجديدة أكثر "ألفة للماء" (hydrophilic)، مما يعني أن لها انجذاباً طبيعياً أقوى للماء، وهو ما سمح للماء بالمرور بسهção. وعند اختبارها بمياه بحر حقيقية، أظهر الغشاء الذي يحتوي على كمية صغيرة من بلورات الألمنيوم — وتحديداً بنسبة 0.05 بالمائة من الوزن — أداءً أفضل من أغشية التحكم القياسية؛ حيث حقق معدل تدفق مستقر بلغ 9.35 لتر لكل متر مربع في الساعة، مع الحفاظ على معدل رفض للملح بنسبة 98.9±1.1%. وهذا يعني أنه مقابل كل وحدة من الماء تمر عبر الغشاء، يتم ترك جميع الأملاح تقريباً خلفه. والأهم من ذلك، أظهر الغشاء أيضاً ميلاً منخفضاً للسماح للملح بالتسرب عكسياً إلى المياه العذبة، وهي مشكلة شائعة في العمليات التناضحية تقلل من الكفاءة.
وبعيداً عن مجرد تحريك المياه، أكدت الدراسة أن هذه الأغشية الجديدة كانت قوية فيزيائياً بما يكفي للقيام بالمهمة. فقد ساعدت بلورات الألمنيوم في تعزيز الهيكل، مما جعل الغشاء أقوى وأكثر مقاومة للضغط المطبق أثناء الاختبار. لاحظ الباحثون أن البلورات خلقت سطحاً أكثر خشونة وتعرجاً، مما زاد من المساحة المتاحة لتفاعل الماء مع الغشاء. هذا التغيير الهيكلي، مقترناً بقدرة المادة الطبيعية على جذب الماء، ساعد في تقليل ظاهرة تسمى "الاستقطاب التركيز الداخلي"، حيث يتراكم الملح داخل الغشاء ويبطئ التدفق. ومن خلال منع الملح من سد المسارات الداخلية، حافظ الغشاء على أداء ثابت حتى مع تقدم التجربة.
كما استكشف الفريق كيف تؤثر مستويات الضغط المختلفة على النتيجة. ووجدوا أن تطبيق قدر متوسط من الضغط، بين صفر واثنين بار، عزز تدفق الماء بشكل كبير. وعند الضغوط الأعلى، تحرك الماء بشكل أسرك، ولكن تركيز الملح في المياه المغذية ارتفع أيضاً بسرعة أكبر مع تخفيف المحلول الجاذب. وقد نجح الغشاء الذي يحتوي على الكمية المثلى من بلورات الألمنيوم في موازنة هذه العوامل بفعالية، حيث قدم معدل تدفق عالٍ دون التضحو بجودة المياه العذبة المنتجة. وتشير الدراسة إلى أن هذا النوع المحدد من الأطر القائمة على الألمنيوم يعد مرشحاً واعداً لأنظمة تحلية المياه من الجيل القادم، لا سيية في المناطق ذات مياه البحر عالية الملوحة حيث تكون الكفاءة والمتانة أمراً بالغ الأهمية.
ورغم أن الدراسة ركزت على اختبارات بمقياس مختبري باستخدام مياه بحر حقيقية، إلا أن النتائج تشير إلى تحسن ملموس في كيفية تعاملنا مع ندرة المياه. لم تدّعِ الأبحاث أنها حلت أزمة المياه العالمية، لكنها أثبتت خطوة واضحة وقابلة للقياس نحو الأمام في تكنولوجيا الأغشية. ومن خلال إثبات أن هذه البلورات المحددة يمكن أن تعزز سرعة وقوة الغشاء، قدم الباحثون مثالاً ملموساً على كيفية تطويع المواد النانوية لحل المشكلات الهندسية العملية. ويؤكد هذا العمل أن مستقبل تحلية المياه قد لا يكمن في بناء آلات أكبر، بل في صقل البنية المجهرية للمرشحات التي تفصل الملح عن الماء.
ملخص تقني: تقييم غشاء نانو مركب ذو غشاء رقيق مدمج مع أطر معدنية عضوية في تحلية مياه البحر الحقيقية عبر التناضح المدعوم بالضغط
بيان المشكلة تواجه أنظمة أغشية التناضح الأمامي (FO) التقليدية قيوداً جوهرية، بما في ذلك انخفاض إنتاجية المياه الناتج عن الاستقطاب التركيزي الداخلي (ICP) الشديد والتراجع التدريجي في قوة الدفع التناضحية الفعالة. وبينما يوفر التناضح الأمامي مزايا مثل انخفاض القابلية للاتساخ وانخفاض استهلاك الطاقة الهيدروليكية، فإن تطبيقه العملي في تحلية مياه البحر يعوقه انخفاض تدفق الماء، لا سيما مع مياه التغذية عالية الملوحة. وقد برز التناضح المدعوم بالضغط (PAO) كنهج هجين واعد يجمع بين قوة الدفع التناضحية للتناضح الأمامي وضغط هيدروليكي متوسط (عادة أقل من 5 بار) يتم تطبيقه على جانب التغذية. يهدف هذا التكوين إلى تعزيز نقل المياه واستردادها دون التكاليف الطاقية الباهظة المرتبطة بالتناضح العكسي (RO). ومع ذلك، فإن النشر الناجح لتقنية التناضح المدعوم بالضغط يتطلب أغشية تمتلك نفاذية عالية للمياه، ورفضاً قوياً للأملاح، وتدفق ملح عكسي (RSF) منخفضاً، واستقراراً ميكانيكياً كافياً لتحمل الأحمال التناضحية والهيدروليكية المتزامنة. غالباً ما تعاني أغشية المركبات ذات الغشاء الرقيق (TFC) الحالية من مقايضة النفاذية والاصطفاء، حيث يؤدي زيادة تدفق الماء إلى المساس برفض الأملاح، كما أن هياكل البولي أميد الكثيفة تقاوم انتقال الكتلة. علاوة على ذلك، هناك ندرة في الأبحاث التي تقيم الأغشية المدمجة مع الأطر المعدنية العضوية (MOF) تحت ظروف التناضح المدعوم بالضغط لمياه البحر الحقيقية، حيث تقتصر معظم الدراسات على الاختبارات المختبرية باستخدام تغذيات اصطناعية.
المنهجية تركز هذه الدراسة على تصنيع وتقييم أغشية المركبات النانوية ذات الغشاء الرقيق (TFN) التي تدمج جسيمات نانوية من إطار معدني عضوي (Al-Fumarate) لتطبيقات التناضح المدعوم بالضغط.
تصنيع الغشاء: تم تصنيع الأغشية على طبقة دعم من البولي إيثر سلفون (PES) مدعمة بنسيج غير منسوج. تم تشكيل طبقة البولي أميد الانتقائية عبر البلمرة البينية باستخدام ميتـا-فينيلين ثنائي أمين (MPD) وتريميسويل كلوريد (TMC). تم تشتيت جسيمات Al-Fumarate النانوية في محلول MPD بتركيزات متفاوتة (0.0125، 0.05، و0.10 وزن٪) قبل عملية البلمرة لإنشاء أغشية TFN (يُرمز لها بـ M0.0125، M0.050، M0.10)، جنباً إلى جنب مع غشاء تحكم (M0/M1) بدون MOF.
التوصيف: خضع الـ MOF والأغشية لتوصيف شامل. تم تحليل الـ MOF من حيث البلورية والاستقرار في الأوساط الملحية باستخدام XRD وتحليل BET. كما تم تقييم خصائص الأغشية عبر مجهر الماسح الإلكتروني (SEM) للمورفولوجيا، ومجهر القوة الذرية (AFM) لخشونة السطح، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (ATR-IR) وطيف الأشعة السينية الضوئية للإلكترونات (XPS) للتركيب الكيميائي، وقياسات زاوية التلامس للقدرة على الترطيب، واختبار الشد للقوة الميكانيكية.
اختبار الأداء: تم تقييم أداء التحلية باستخدام نظام PAO ذي التدفق المستعرض على نطاق مختبري. تألف محلول التغذية من مياه بحر حقيقية جُمعت من بئر شاطئي، بينما كان محلول السحب عبارة عن 2 مولار من NaCl. أُجريت الاختبارات عند ضغوط هيدروليكية تتراوح من 0 إلى 2 بار. وشملت مقاييس الأداء الرئيسية تدفق الماء (Jv)، وتدفق الملح العكسي (Js)، وتغيرات الموصلية في جانب التغذية، وتخفيف جانب السحب، وفرق الموصلية (ΔC) عبر الغشاء.
المساهمات والنتائج الرئيسية تظهر الدراسة أن دمج Al-Fumarate MOF في طبقة البولي أميد الانتقائية يغير بشكل كبير الخصائص الفيزيائية والكيميائية وأداء التحلية للأغشية:
استقرار ومورفولوجيا الـ MOF: أظهر Al-Fumarate MOF بلورية عالية وحافظ على سلامة هيكله بعد 72 ساعة من التعرض لمحلول NaCl بتركيز 3.5 وزن٪، كما أكدت نتائج XRD. وكشف تحليل SEM أن تحميل الـ MOF المتوسط (0.05 وزن٪) أدى إلى تشتت منتظم ومورفولوجيا سطح ورقية أو عقدية مع فجوات كروية، بينما أدى التحميل العالي (0.1 وزن٪) إلى تكتل الجسيمات.
القدرة على الترطيب والخشونة: أدى دمج Al-Fumarate إلى زيادة قدرة الغشاء على الترطيب، مما قلل زاوية تلامس الماء إلى 49.8 درجة عند أعلى تحميل. وأكد تحليل AFM زيادة خشونة السطح، حيث أظهر الغشاء M4 (بتحميل 0.1 وزن٪) ذروة خشونة (Ra) بلغت 138 نانومتر، ويُعزى ذلك إلى تكوين هياكل عقدية.
القوة الميكانيكية: كان إدراج دعم النسيج غير المنسوج حاسماً للمتانة الميكانيكية. أظهر غشاء TFN مع 0.05 وزن٪ من الـ MOF (المسمى M3) أعلى الخصائص الميكانيكية، مع معامل يونج بلغ 46.82 ميجا بازل وقوة شد بلغت 2.78 ميجا بازل، متفوقاً بذلك على كل من غشاء PES غير المدعوم وأغشية TFC الضابطة.
خصائص النقل: حقق غشاء M3 (بتحميل 0.05 وزن٪ من الـ MOF) توازناً مثالياً بين النفاذية والاصطفاء. فقد أظهر نفاذية مائية بلغت 3.8 ± 0.22 لتر م²/ساعة·بار⁻¹، مع رفض لـ NaCl بنسبة 98.9 ± 1.1%، ونسبة B/A منخفضة بلغت 8.9 كيلو باسكال.
أداء PAO بمياه البحر الحقيقية: في اختبارات مياه البحر الحقيقية مع محلول سحب 2 مولار NaCl، أظهر غشاء M3 أداءً فائقاً عند الضغوط الهيدروليكية بين 0 و2 بار.
التدفق: حقق الغشاء تدفقاً مستقراً قدره 9.35 لتر م²/ساعة. وبينما زاد التدفق مع الضغط (حيث بلغ ذروته مبدئياً عند ~20 لتر م²/ساعة عند 2 بار)، أدت الضغوط العالية إلى تسريع تخفيف محلول السحب، مما أدى إلى انخفاض التدفق بمرور الوقت.
الاصطفاء وتدفق الملح العكسي: حافظ غشاء M3 على تدفق ملح عكسي أقل مقارنة بالأغشية ذات التحميل الأعلى. وعند الضغوط المتوسطة (1.0–1.5 بار)، أظهر الغشاء أكثر تدفق ملح عكسي استقراراً واصطفاءً معززاً. وقد ساهمت الطبيعة المحبة للماء للـ MOF في تسهيل نقل الماء وتخفيف الاستقطاب التركيزي الداخلي، مما أدى إلى تخفيف أكثر كفاءة لمحلول السحب وتقليل الاستقطاب التركيزي في جانب التغذية.
الأهمية تزعم الورقة أن دمج Al-Fumarate MOF المحب للماء في أغشية TFN يعالج مشكلة المقايضة الحرجة بين النفاذية والاصطفاء والقيود الميكانيكية لأغشية FO/PAO التقليدية. وتبرز الدراسة أن الهيكل المسامي الدقيق لـ Al-Fumarate MOF يعزز نقل الماء، ويقلل من الاستقطاب التركيزي الداخلي، ويحسن الاستقرار الهيكلي تحت الحمل الهيدروليكي. وبشكل محدد، تم تحديد غشاء M3 (بتحميل 0.05 وزن٪ من الـ MOF) كمرشح فائق لعمليات تحلية مياه البحر عبر تقنية PAO في البيئات عالية الملوحة، حيث يوفر توازناً موثوقاً بين تدفق الماء العالي، والرفض الممتاز للأملاح، وتدفق الملح العكسي المنخفض. ويوفر هذا البحث دليلاً تجريبياً على أن الأغشية المدمجة مع الـ MOF يمكنها تحمل ظروف مياه البحر الحقيقية والضغوط الهيدروليكية المتوسطة، مما يمهد الطريق نحو تقنيات أكثر كفاءة لتحلية المياه بالتناضح.