وحدة مبتكرة لتحلية مياه البحر دون الحاجة إلى المرشحات أو مضخات الضغط العالي

يقوم الباحثون ببناء وحدة تحلية محمولة لتولد مياه شرب نقية ونظيفة دون الحاجة إلى المرشحات أو مضخات الضغط العالي. ووفقا لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، يقل وزن الوحدة عن 10 كيلوجرامات، ويمكنها إزالة الجزيئات والأملاح لتوليد مياه الشرب.

يمكن أيضًا تشغيل الجهاز بحجم حقيبة السفر، والذي يتطلب طاقة أقل للعمل من شاحن الهاتف الخلوي، بواسطة لوحة شمسية صغيرة محمولة، والتي يمكن شراؤها عبر الإنترنت مقابل حوالي 50 دولارًا. يولد تلقائيًا مياه الشرب التي تتجاوز معايير الجودة لمنظمة الصحة العالمية. يتم تجميع هذه التقنية في جهاز سهل الاستخدام يعمل بضغطة زر واحدة.

على عكس وحدات التحلية المحمولة الأخرى التي تتطلب مرور المياه عبر المرشحات، يستخدم هذا الجهاز الطاقة الكهربائية لإزالة الجزيئات من مياه الشرب. يؤدي التخلص من الحاجة إلى استبدال المرشحات إلى تقليل متطلبات الصيانة على المدى الطويل بشكل كبير.

وقد يمكّن ذلك من نشر الوحدة في مناطق نائية ومحدودة بشدة الموارد، مثل المجتمعات المحلية في الجزر الصغيرة أو على متن سفن الشحن البحرية. كما يمكن استخدامه لمساعدة اللاجئين الفارين من الكوارث الطبيعية أو من قبل الجنود الذين ينفذون عمليات عسكرية طويلة الأمد.

يقول المؤلف الكبير جونغيون هان، أستاذ الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر والهندسة البيولوجية، وعضو في مختبر أبحاث الإلكترونيات (RLE): “هذا حقًا تتويج لرحلة دامت 10 سنوات كنت فيها أنا ومجموعتي. لقد عملنا لسنوات على الفيزياء الكامنة وراء عمليات تحلية المياه الفردية، ولكن دفع كل هذه التطورات إلى صندوق، وبناء نظام، وإظهاره في المحيط، كانت تلك تجربة مفيدة حقًا ومجزية بالنسبة لي، انضم إلى هان في الورقة المؤلف الأول Junghyo Yoon، وهو عالم أبحاث في RLE؛ هيوكجين ج. كوون، باحث سابق في مرحلة ما بعد الدكتوراة؛ سونغ كو كانغ، باحث ما بعد الدكتوراة في جامعة نورث إيسترن. وإريك براك من قيادة تطوير القدرات القتالية للجيش الأمريكي (DEVCOM). نُشر البحث على الإنترنت في مجلة.

تقنية خالية من الفلتر

تتطلب وحدات التحلية المحمولة المتوفرة تجارياً عادة مضخات عالية الضغط لدفع المياه عبر المرشحات، والتي يصعب تصغيرها دون المساس بكفاءة الطاقة للجهاز، كما يوضح يون.

بدلاً من ذلك، تعتمد وحدتهم على تقنية تسمى استقطاب تركيز الأيونات (ICP)، والتي كانت رائدة من قبل مجموعة هان منذ أكثر من 10 سنوات. بدلاً من تصفية المياه، تطبق عملية برنامج المقارنات الدولية مجالًا كهربائيًا على الأغشية الموضوعة فوق وتحت قناة من الماء. تتنافر الأغشية مع الجسيمات المشحونة إيجابًا أو سالبًا – بما في ذلك جزيئات الملح والبكتيريا والفيروسات – أثناء تدفقها في الماضي. يتم توجيه الجسيمات المشحونة إلى تيار ثاني من الماء يتم تصريفه في النهاية.

تقوم هذه العملية بإزالة كل من المواد الصلبة المذابة والمعلقة، مما يسمح للمياه النظيفة بالمرور عبر القناة. نظرًا لأنه لا يتطلب سوى مضخة منخفضة الضغط، فإن برنامج المقارنات الدولية يستخدم طاقة أقل من التقنيات الأخرى.

لكن برنامج المقارنات الدولية لا يزيل دائمًا جميع الأملاح العائمة في منتصف القناة. لذا قام الباحثون بدمج عملية ثانية، تُعرف بالديلزة الكهربائية، لإزالة أيونات الملح المتبقية.

استخدم Yoon و Kang التعلم الآلي للعثور على المزيج المثالي من ICP ووحدات الغسيل الكهربائي. يتضمن الإعداد الأمثل عملية ICP من مرحلتين، حيث يتدفق الماء عبر ست وحدات في المرحلة الأولى ثم من خلال ثلاث وحدات في المرحلة الثانية، تليها عملية غسيل كهربي واحدة. هذا الحد الأدنى من استخدام الطاقة مع ضمان بقاء العملية ذاتية التنظيف.

يوضح يون: “في حين أنه من الصحيح أن بعض الجسيمات المشحونة يمكن التقاطها على غشاء التبادل الأيوني، إذا حُصرت، فإننا نعكس قطبية المجال الكهربائي ويمكن إزالة الجسيمات المشحونة بسهولة”.

لقد قاموا بتقليص وتكديس وحدات برنامج المقارنات الدولية والغسيل الكهربائي لتحسين كفاءتها في استخدام الطاقة وتمكينها من وضعها داخل جهاز محمول. صمم الباحثون الجهاز لغير الخبراء، بزر واحد فقط لإطلاق عملية التحلية والتنقية الأوتوماتيكية. بمجرد انخفاض مستوى الملوحة وعدد الجزيئات إلى عتبات معينة، يُعلم الجهاز المستخدم أن الماء صالح للشرب.

أنشأ الباحثون أيضًا تطبيقًا للهواتف الذكية يمكنه التحكم في الوحدة لاسلكيًا والإبلاغ عن بيانات في الوقت الفعلي عن استهلاك الطاقة وملوحة المياه.

اختبارات الشاطئ

بعد إجراء تجارب معملية باستخدام المياه بمستويات ملوحة وعكارة مختلفة، اختبروا الجهاز ميدانيًا في شاطئ كارسون في بوسطن.

وضع يون وكون الصندوق بالقرب من الشاطئ وألقيا أنبوب التغذية في الماء. في حوالي نصف ساعة ، ملأ الجهاز كوبًا بلاستيكيًا للشرب بمياه صافية صالحة للشرب.

يقول هان: “لقد كان ناجحًا حتى في تشغيله الأول، والذي كان مثيرًا ومدهشًا للغاية. لكنني أعتقد أن السبب الرئيسي وراء نجاحنا هو تراكم كل هذه التطورات الصغيرة التي أحرزناها على طول الطريق”.

تجاوزت المياه الناتجة إرشادات الجودة لمنظمة الصحة العالمية، وخفضت الوحدة كمية المواد الصلبة العالقة بعامل 10 على الأقل يولد نموذجها الأولي مياه الشرب بمعدل 0.3 لترًا في الساعة، ولا يتطلب سوى 20 واط / ساعة لكل لتر. .

يقول يون: “في الوقت الحالي، ندفع بحثنا إلى زيادة معدل الإنتاج هذا”.

يقول هان إن أحد أكبر التحديات في تصميم النظام المحمول كانت هندسة جهاز بديهي يمكن لأي شخص استخدامه.

يأمل يون في جعل الجهاز أكثر سهولة في الاستخدام وتحسين كفاءة الطاقة ومعدل الإنتاج من خلال شركة ناشئة يخطط لإطلاقها لتسويق التكنولوجيا.

في المختبر، يريد هان تطبيق الدروس التي تعلمها خلال العقد الماضي على قضايا جودة المياه التي تتجاوز تحلية المياه ، مثل الكشف السريع عن الملوثات في مياه الشرب.

“هذا بالتأكيد مشروع مثير، وأنا فخور بالتقدم الذي أحرزناه حتى الآن، ولكن لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به”، كما يقول.

على سبيل المثال، في حين أن “تطوير الأنظمة المحمولة باستخدام عمليات الغشاء الكهربائي هو اتجاه أصلي ومثير في تحلية المياه خارج الشبكة وعلى نطاق ضيق”، فإن آثار التلوث ، خاصة إذا كان الماء به تعكر مرتفع، يمكن أن يزيد بشكل كبير من متطلبات الصيانة و تكاليف الطاقة، كما يشير نضال هلال، أستاذ الهندسة ومدير مركز أبحاث المياه بجامعة نيويورك أبوظبي، والذي لم يشارك في هذا البحث.

ويضيف: “هناك قيد آخر يتمثل في استخدام مواد باهظة الثمن”. “سيكون من المثير للاهتمام رؤية أنظمة مماثلة ذات مواد منخفضة التكلفة.”

تم تمويل البحث جزئيًا من قبل مركز DEVCOM للجنود، ومختبر عبد اللطيف جميل لأنظمة المياه والغذاء (J-WAFS)، وبرنامج زمالة ما بعد الدكتوراة التجريبي للذكاء الاصطناعي بجامعة نورث إيسترن، ومعهد رو للذكاء الاصطناعي.