ترشيح نانوي

اكتشاف مسببات الأمراض الميكروبية

من جهة ثانية، يعد توفير موردٍ دائمٍ للمياه الصحية الصالحة للشرب إحدى أولويات الحياة الصحية السليمة، إلا أن الأمراض الناجمة عن تلك المياه الملوثَة تمثل سبباً رئيسياً كامناً وراء الكثير من حالات الوفاة في أرجاءٍ مختلفةٍ من العالم، وخاصةً فيما بين الأطفال صغار السن، الشيوخ، وهؤلاء الذين يعانون من مشكلات في الجهاز المناعي. ومع تغير علم الأوبئة الناجمة عن الأمراض الملوثة، فقد تنامت المخاوف العالمية العامة حول عودة ظهور أوبئةٍ معديةٍ والتي تنتشر من خلال التفاعل المعقد مع العوامل الاجتماعية والاقتصادية والتطورية النمائية والبيئية كذلك. ومن ثم يُعتبر أحد التحديات القائمة والهامة في المجال هو ذلك الاكتشاف السريع والدقيق والحساس لمسببات الأمراض الناجمة عن استخدامات المياه الملوثة. حيث بُنيت الاختبارات الميكروبية في وقتنا الحاضر بشكلٍ أساسيٍ على طرق ثقافة استهلاك الوقت time-consuming culture methods. إلا أنه على الرغم من ذلك فيتم تطوير الكثير من الطرق الإنزيمية والمناعية والجينية لتحل محل و/ أو تدعم الطرق والأساليب التقليدية للكشف عن الميكروبات. علاوةً على ذلك، فإن للاختراعات في مجال تقانة النانو والعلوم النانوية تأثيراً حيوياً هاماً في علم التشخيص الحيوي، حيث تم إجراء الكثير من التجارب القائمة على الجسيمات النانوية والأجهزة النانوية المختلفة بهدف المساعدة في عملية الكشف عن الجسيمات الحيوية.

تطبيقات تنقية المياه

للمزيد من المعلومات: تنقية المياه

من جانب آخر، وهنا يجب ذكر أن توفير طرق الترشيح النانوي بالدول النامية بهدف زيادة مواردها من المياه النظيفة الصالحة للشرب لهو بالطريقة الرخيصة غير المكلفةٍ مقارنةً بأنظمة معالجة المياه التقليدية. على الرغم من ذلك، تبقى مجموعةً من القضايا ومنها كذلك قدرة تلك الدول النامية على دمج مثل تلك التقنيات الحديثة مع اقتصادها بدون محاولة الاعتماد على مساعدةٍ أجنبيةٍ.

ومن ناحية أخرى، يصعب على كثيرٍ من الدول الناميةالحصول على مياه صالحةٍ للشرب والاستخدام الآدمي، إلا أن تقانة الصغائر توفر حلاً لتلك الأزمة. ففي حين تُستعمل عملية الترشيح النانوي لإزالة الملوثات المختلفة مصادر وموارد المياه، إلا أنها تُستعمل كذلك وبصورةٍ شائعةٍ في عملية تحلية المياه desalination. وقد أُجريت الكثير من الاختبارات، كما تم ملاحظته في دراسةٍ حديثةٍ بجنوب أفريقيا، باستخدام الترشيح النانوي البوليمري أو المكثور بالتزامن مع إجراء عملية التناضح العكسي لمعالجة المياه الجوفية المغثة. وقد أسفرت تلك الاختبارات عن إنتاج مياهٍ صالحةٍ للشرب، حيث لجأ الباحثون إلى إضافة المغذيات إلى تلك المياه للحصول في النهاية على المستويات القياسية المعيارية من تلك المستويات المذابة لاستهلاك مياه الشرب. (مطلوب توثيق)

المبدأ

من جانب آخر، يصل الضغط المستعمل في الترشيح النانوي نحو 3 ميجاباسكال. وهو ضغط أقل بكثير من الضغوط المستعملة في التناضح العكسي. وهذا يخفض من يقلل من تكلفة المعالجة بصورةٍ واضحةٍ. على الرغم من ذلك، فإن أغشية الترشيح النانوي ما زالت عرضةً للتحجيم scaling (أي تزايد الترسب وتكوين كيك الترشيح مما يبطئ عملية الترشيح) والإفساد fouling (أي تكون النمو الفطري والتعفن). ولهذا يستعمل مع تلك الأغشية ما يسمى مضادات التحجيم anti-scalants ومضادات التعفن.

كذلك، يمثل الترشيح النانوي تقنية ببين الترشيح المستدق والتناضح العكسي reverse osmosis ، حيث يكون سعة المسام نحو 2 نانومتر. كما

إضافةً إلى ذلك، تقدر أغشية المرشح النانوي عادةً بـحد فصل يسمى حد الوزن الجزيئي molecular weight cut-off بدلاً من حجم المسامة الواحدة الصغيرة. ويقدر حد الوزن الجزيئي عادةً بأقل من 100 وحدات كتلة ذرية. وتستعمل وحدة دالتون للتعبير عنها حيث أن الكتلة «دالتون» تمثل كتلة بروتون واحد أو كتلة نيوترون واحد.

اقرأ أيضا

• قائمة تطبيقات تقنية النانو List of nanotechnology applications
• مواد نانوية Nanomaterials
• تقانة الصغائر Nanotechnology
• ترشيح مستدق Ultrafiltration
• ماء الشرب
• المصادر

تطبيقه على المستوى الصناعي

ومن ناحية أخرى، يبين التصميم التالي تصميم محطة لتحلية ماء البحر تقوم على عمليتين: الترشيح النانوي NF ، ثم تحلية المياه بالتناضح العكسي RO .

إضافةً إلى ذلك، 25–60 m3/اليوم للوحدة الواحدة ولذلك تستعمل عدة وحدات تعمل متوازية لإنتاج كميات ماء نقية على المستوى الصناعي. ويستعمل معها ضغوطا بين 4.5-7.5 بار (ضغط جوي).

كذلك، وتجري البقية 80 متر مكعب/الساعة إلى وحدة تحلية المياه. لا يزال الماء يحتوي على الأملاح ومن ضمنها ملح الطعام، ويتم عزل الماء العذب عن الماء الذي تضاعفت ملوحته بالأغشية الخاصة بالتناضح العكسي. ينتج من محطة التحلية ماء شرب بمقدار 50 متر مكعب في الساعة، بينما يخرج 30 متر مكعب /الساعة ماء زائد الملوحة. ويستفاد من هذا الماء الزائد الملوحة باستخراج أملاح وفلزات تستعملها الصناعات الكيماوية.

وفي السياق ذاته، ليس في استطاعة الترشيح النانوي إزالة الملح من الماء، ولهذا تستعمل عملية تحلية ماء البحر بعد قيام الترشيح النانوي لتنقية الماء. ويتم تحلية الماء عادة بطريقة التناضح العكسي RO ، وهي طريقة تستعمل ضغوطا عالية عند نحو 60 ضغط جوي.

as is shown above.

كذلك، يمثل الشكل أسفله تصميم وحدة ترشيح نانوي تشترك في عملية تنقية مياه الشرب. وتستعمل لها عدة أنواع من الأغشية النانونية متوفرة في الأسواق. تختلف أنواع الاغشية النانونية بحسب نوع المواد الكيميائية المستعملة وبنية تلك الكيماويات وقدرتها على رد الأملاح، وبناء على ذلك فيلزم اختيار نوع الغشاء النانوي المناسب للماء المراد تنقيته وملوحته.

وفي هذا الصدد، توجد وحدات لتنقية ماء الشرب تعمل بالأغشية النانونية تطرد الملح بدرجات منخفضة (<5% لنوع 1001A membranes) إلى طرد الملح نهائيا (بنسبة 99 % لنوع 8040-TS80-TSA membranes). ويختلف معدل جريان الماء بين

وفي هذا الصدد، هذه محطة تعمل بقدرة تنقية ماء البحر تبلغ 100 متر مكعب/الساعة. تبدأ بالترشيح النانوي، ثم يؤخد منها 20 متر مكعب/الساعة من الماء المرشح بغرض إنتاج المغنسيوم من كبريتات المغنسيوم الذائبة في ماء البحر.

تطبيقات أخرى

في هذا الإطار، وقد عمل البحث العلمي على استغلال تقنية الترشيح النانوي بابتكار أغشية نانونية تستطيع تنقية المحاليل العضوية كذلك، واتسع استخدامها في تنقية الكثير من المحاليل العضوية والصناعة العصير وصناعات الألبان، وغيرها.

إضافةً إلى ذلك، Ca2+, وأيونات المغنسيوم Mg2+ . في نفس الوقت يسمح الترشيح النانوي بتمرير هيدرات الأيونات الأحادية التكافؤ الأصغر منها.

ومن ناحية أخرى، كان تطبيق الترشيح النانوي واستخدام تقنية الأغشية في الماضي منصبا على استخدامهاته مع الماء ومحاليله. وكان الغرض منها غالبا خفض عسر الماء. فيمكن للترشيح النانوي عزل الترسيب في الماء، وعزل الجزيئات الكبيرة «المشبعة» بالماء والمسماة أيونات هيدرات ثنائية التكافؤ، مثل أيونات الكالسيوم

كذلك، وفي السنوات الأخيرة زاد استخدام الترشيح النانوي في فروع أخرى من الصناعات، ومن ضمنها صناعات منتجات الألبان وإنتاج عصائر الفواكه والخضراوات. وقد امتدت أبحاث العلماء إلى ابتكار أنواع من الأغشية لا تتعرض للذوبان في المحاليل المراد تنقيتها، وابكرت كذلك أغشية نانونية للاستخامات الصيدلانية، وصناعة النكهات الغذائية.

.

تقانة الصغائر في معالجة المياه

من جانب آخر، توفر التقانة النانوية، وهي هندسة وفن معالجة المادة على المستوى النانوي _1- 100 نانومتر)، القدرة على تصنيع مواد نانوية جديدة تستعمل في معالجة المياه السطحية والمياه الجوفية ومياه الصرف الصحي الملوثة بأيونات المعادن السامة والمحاليل العضوية والغير عضوية فضلًا عن الكائنات الدقيقة. ونتيجة نشاطها الفائق الفريد تجاه التخلص من الملوثات المدمرة، تقع الكثير من المواد النانوية تحت نطاق البحث النشط والتطوير بهدف استخدامها في معالجة المياه.

الألياف النانوية والمبيدات الحيوية النانوية

وفي السياق ذاته، تُظهِر الألياف النانوية الكهربائية المنسوجة والمبيدات الحيوية النانوية القدرة على إنجاز تحسينات في مجال أغشية فلترة المياه. ونلاحظ أن القاذورات الحيوية التي تتكون على الأغشية وتسببها الشحنات البكتيرية بالمياه تقلل من جودة مياه الشرب، مما جعل منها مشكلةً رئيسية تؤرق الجميع. هذا وقد أسفرت الكثير من الدراسات عن التوصل لتلك النتيجة الخاصة بتثبيت واختفاء تلك البكتريا بعد التعرض للألياف النانوية ذات الأسطح الوظيفية. وفي الوقت ذاته فقد أثبتت المبيدات الحيوية النانوية ومنها الجسيمات النانوية المعدنية والمواد النانوية المهندسَة نجاحها في الاندماج مع الألياف النانوية مستهدفةً تحقيق نشاطٍ عالٍ مضادٍ للميكروبات واستقرارٍ في الماء.