به گزارش ثریا - از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، در این دستاورد علمی، فرایند ایجاد ویژگی‌های فوتوترمال و همه‌گریزی سطح، به‌طور کامل با ساخت غشا تلفیق شده است. نمونه توسعه‌یافته با استفاده از الکتروریسی محلول حاوی پلی‌وینیلیدن‌فلوراید، پلی‌پرفلورواکتیل‌آکریلات و نانوذرات کربن‌بلک تولید شده و توانسته در برابر تابش خورشید، شار عبوری نزدیک به ۱.۵ کیلوگرم بر مترمربع‌ساعت و بازده تبخیر بیش از ۸۳ درصد ارائه دهد.

این روش علاوه بر بهبود عملکرد، فرآیند تولید غشاهای پیشرفته را ساده‌تر، اقتصادی‌تر و سازگارتر با نیاز صنایع نمک‌زدایی می‌کند.

بحران جهانی آب و انرژی طی سال‌های اخیر نشان داده که روش‌های متعارف شیرین‌سازی آب، دیگر پاسخگوی نیازهای فزاینده جمعیت و صنایع نیستند. بسیاری از کشورها به دنبال توسعه فناوری‌هایی هستند که بتواند هم‌زمان با مصرف حداقلی انرژی، آب سالم و قابل شرب تولید کند.

یکی از فناوری‌های نوظهور در این حوزه، تقطیر غشایی با استفاده از انرژی خورشیدی است؛ روشی که می‌تواند تبخیر آب را بدون نیاز به سوخت‌های فسیلی انجام دهد و در عین حال کیفیت مطلوبی از جداسازی نمک و ناخالصی‌ها ارائه کند.

با وجود این مزایا، عملکرد غشاهای مورد استفاده در این فرایند هنوز نیازمند ارتقا است و توسعه غشاهایی که در برابر آلودگی، ترشوندگی و شرایط خورنده مقاوم باشند، به یک ضرورت علمی و صنعتی تبدیل شده است.

در همین راستا، گروهی از پژوهشگران دانشگاه صنعتی اصفهان موفق شده‌اند نسل جدیدی از غشاهای فوتوترمال اُمنی‌فوبیک را با یک روش تک‌مرحله‌ای توسعه دهند؛ روشی که به‌طور جدی می‌تواند مسیر طراحی غشاهای تقطیر را ساده‌تر، اقتصادی‌تر و سازگارتر با نیازهای صنعتی کند.

ایده اصلی این پژوهش، برطرف کردن مشکلی بود که بسیاری از فناوری‌های پیشین با آن روبه‌رو بودند: ساخت چنین غشاهایی معمولاً شامل چندین مرحله پیچیده است، از افزودن اجزای فوتوترمال گرفته تا ایجاد ویژگی‌های همه‌گریزی سطح. این چندمرحله‌ای بودن باعث افزایش هزینه، زمان تولید و دشواری پیاده‌سازی در مقیاس صنعتی می‌شود.

پژوهشگران برای حل این چالش، فرایند «ساخت غشا» و «اعطای ویژگی‌های فوتوترمال و اُمنی‌فوبیک» را در یک مرحله ادغام کردند. آنها با طراحی دقیق شیمی سطح، زبری ساختار و ترکیب مواد، موفق شدند غشایی ایجاد کنند که در همان فرایند الکتروریسی، هم ویژگی جذب و تبدیل انرژی خورشید به گرما را به دست بیاورد و هم رفتار همه‌گریز از آب و روغن را در کل ساختار غشا کسب کند.

در این پروژه، یک محلول ترکیبی شامل پلی‌وینیلیدن‌فلوراید (PVDF)، پلی‌(پرفلورواکتیل‌آکریلات) (PPFOA) و نانوذرات کربن‌بلک (CB NPs) به عنوان ماده پایه مورد استفاده قرار گرفت. انتخاب این ترکیب، نتیجه تحلیل دقیق رفتار سطحی، پایداری حرارتی و نیازهای عملکردی غشاهای تقطیر بود. پلیمر PVDF اسکلت اصلی غشا را تشکیل می‌دهد، PPFOA انرژی سطحی را به‌شدت کاهش می‌دهد و نانوذرات کربن‌بلک وظیفه جذب نور و تولید گرما را بر عهده دارند. بهترین عملکرد زمانی به دست آمد که نسبت PPFOA به PVDF برابر ۶۰ درصد وزنی و مقدار نانوذرات کربن‌بلک ۱۵ درصد تعیین شد.

غشای تولیدشده قادر بود تنها تحت تابش استاندارد خورشید معادل ۱ سان (one sun) شار عبوری ۲.۹۴ کیلوگرم بر مترمربع ساعت و نرخ تبخیر ۱.۴۹ کیلوگرم بر مترمربع ساعت ارائه دهد. این اعداد برای فناوری‌های تقطیر غشایی خورشیدی بسیار قابل توجه‌اند و نشان می‌دهند که ادغام هم‌زمان دو ویژگی کلیدی، عملکرد را به‌طرز محسوسی افزایش داده است. راندمان تبخیر غشا نیز ۸۳.۵ درصد گزارش شده که آن را در ردیف غشاهای فوتوترمال پیشرفته قرار می‌دهد.

از سوی دیگر، یکی از مشکلات رایج در تقطیر غشایی، ترشوندگی و کاهش عملکرد به دلیل حضور مواد فعال سطحی یا املاح محلول است. غشای جدید توانست در آزمون پایداری ۶۰۰ دقیقه‌ای در تماس با محلول حاوی ۳.۵ درصد وزنی نمک و ۰.۸ میلی‌مولار سدیم دودسیل‌سولفات (SDS) عملکردی کاملاً پایدار نشان دهد.

این پایداری نشان می‌دهد که همه‌گریزی غشا تنها محدود به سطح بیرونی آن نیست، بلکه کل ساختار غشا از آغاز فرایند ساخت این ویژگی را کسب کرده است. همین یکپارچگی ساختاری، طول عمر و مقاومت غشا را نسبت به نمونه‌هایی که تنها پوشش سطحی دریافت می‌کنند، چندین برابر افزایش می‌دهد.

اهمیت این دستاورد زمانی بیشتر مشخص می‌شود که بدانیم فناوری‌های نمک‌زدایی در بسیاری از مناطق دنیا با محدودیت انرژی، هزینه‌های عملیاتی بالا و آلودگی‌های ناشی از ترشوندگی غشا مواجه‌اند. رویکرد یک‌مرحله‌ای ارائه‌شده توسط پژوهشگران دانشگاه صنعتی اصفهان، علاوه بر کاهش هزینه ساخت، می‌تواند زیرساخت‌های لازم برای توسعه واحدهای تقطیر خورشیدی کم‌مصرف را فراهم کند.

این روش در صورت تجاری‌سازی، می‌تواند جایگزین مناسبی برای غشاهای معمولی در واحدهای کوچک و متوسط نمک‌زدایی باشد، به‌ویژه در مناطق خشک و نیمه‌خشک که دسترسی به انرژی فسیلی محدود و هزینه‌بر است.

نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان One-step development of photothermal omniphobic membrane for vacuum membrane distillation towards sustainable water desalination using solar energy در نشریه Chemical Engineering Journal به چاپ رسیده است.

منبع : قناوزس تولید نانو