نظام لتحلية مياه البحر..

نظام تحلية مياه البحر الذي اقترحته الدراسة يدمج البطاريات التي تقوم بالأكسدة والاختزال مع عمليات تحلية المياه

نظام لتحلية مياه البحر.. ثورة متقدمة تعزز تحلية الماء وتوفر الطاقة
في دراسة نشرتها دورية سيل ريبورتز فيزيكال ساينس، حقق الباحثون في كلية تاندون للهندسة بجامعة نيويورك تقدما كبيرا في تحلية مياه البحر باستخدام الأكسدة والاختزال المعروفة اختصارًا بـ" آر إف دي".
والأكسدة والاختزال تقنية كهروكيميائية ناشئة يمكنها تحويل مياه البحر إلى مياه صالحة للشرب وتخزين الطاقة المتجددة بأسعار معقولة. وقام الفريق البحثي بابتكار بطارية خاصة تعتمد على هذه التقنية تُربط مع تقنيات تحلية مياه البحر، وذلك من أجل دمج عمليتي تخزين الطاقة وتحلية المياه.
وتأتي نتائج هذه الدراسة تلبية لرؤية مبادرة "إزالة الكربون من التصنيع الكيميائي باستخدام الكهرباء المستدامة"، وهي تجمع لفريق متنوع من الباحثين وخبراء الصناعة المخصصين لإزالة الكربون من الصناعة الكيميائية عن طريق الكهرباء، وذلك في سعي لتحويل العالم نحو الطاقة النظيفة.

التحلية بالأكسدة والاختزال

وبحسب المعلومات الواردة في البيان، فإن تحلية مياه البحر سلسلة من العمليات الكيميائية الصناعية تُجرى لإزالة الأملاح الزائدة والمعادن من المياه، حيث يمكن تحلية مياه البحر ليصبح من الممكن استخدامها في الحياة العملية كالزراعة والشرب والصناعة.
نظام لتحلية مياه البحر.. Shutterstock_1574540872-1707987552

نظام لتحلية مياه البحر.. Shutterstock_1574540872-1707987552

تحلية مياه البحر عمليات كيميائية صناعية لإزالة الأملاح الزائدة والمعادن منها لتصبح صالحة للشرب أو الزراعة (شترستوك)
وتتطلب عملية التحلية تقنيات تستهلك طاقة ومالا كبيرين وتُخلف آثارا ضارة في البيئة، إذ إن استهلاك الطاقة في عملية التحلية تُعد من المشاكل والعقبات الصعبة التي تحتاج إلى تذليل، وهي من الأهداف التي يجري العمل عليها في المراكز العلمية التي تبحث عن بدائل ذات استهلاك أقل للطاقة وأكثر فاعلية وصديقة للبيئة.
وتجري عملية التحلية في ثلاث مراحل أساسية قبل عملية التوزيع والضخ في الشبكة مرتبة على النحو التالي: المعالجة الأولية للمياه، عملية إزالة الأملاح للمياه، المعالجة النهائية للمياه.
وفي مرحلة إزالة الأملاح تُزال جميع الأملاح الذائبة في المياه والفيروسات والمواد الأخرى كالمواد الكيميائية والعضوية المنقولة والذائبة عن طريق استخدام الأغشية أو التقطير.
كما تُعد التقنيات الكيميائية التي تُستخدم في مرحلة إزالة الأملاح واحدة من تقنيات الأكسدة والاختزال، وهي عبارة عن جزأين من التفاعلات الكيميائية تحصل تباعا، فالأكسدة تفاعلات كيميائية يحدث فيها تغير في عدد أكسدة ذرات المواد المتفاعلة نتيجة انتقال الإلكترونات فيما بينها، حيث تفقد فيها الإلكترونات من قبل الذرات أو الجزيئات أو الأيونات والتي ينتج عنها زيادة في الشحنة الموجَبة أو نقصان في الشحنة السالبة.
نظام لتحلية مياه البحر.. Shutterstock_2268397947-1707991385

نظام لتحلية مياه البحر.. Shutterstock_2268397947-1707991385

عملية التحلية تتطلب تقنيات تستهلك طاقة ومالا كبيرين مخلفة آثارا ضارة في البيئة (شترستوك)
أما الاختزال أو الإرجاع فهي عملية اكتساب للإلكترونات من قبل الذرات أو الجزيئات أو الأيونات ينتج عنها نقصان في الشحنة الموجبة أو زيادة في الشحنة السالبة.
وبتعريف أدق يمكن وصف عملية الأكسدة بالنسبة لعنصر ما (أو لجزيء يحوي عنصرا تُجرى عليه هذه العملية) بأنها زيادة في عدد أكسدة هذا العنصر، في حين أن الاختزال -أو الإرجاع- هو نقصان في عدد الأكسدة.

فوائد التحلية ببطارية الأكسدة والاختزال

وبحسب البيان الصادر من جامعة نيويورك تاندون، قام فريق الجامعة بقيادة الدكتور أندريه تايلور أستاذ الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية ورئيس مبادرة "إزالة الكربون من التصنيع الكيميائي باستخدام الكهرباء المستدامة"، بزيادة معدل إزالة الملح في نظام تحلية مياه البحر بواسطة الأكسدة والاختزال، وذلك بمقدار يقترب من 20%، مع خفض الطلب على الطاقة عن طريق تحسين معدلات تدفق السوائل.
نظام لتحلية مياه البحر.. Shutterstock_1609846534-1707992094

نظام لتحلية مياه البحر.. Shutterstock_1609846534-1707992094

عملية الأكسدة والاختزال لها أهمية وفوائد كبيرة في إيجاد حل جديد تماما لأزمة المياه العالمية (شترستوك)
ويعتمد مشروع نظام تحلية مياه البحر الذي اقترحته الدراسة على دمج البطاريات التي تقوم بالأكسدة والاختزال مع عمليات تحلية المياه، كما يستفيد من القدرة الكامنة في بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال على تخزين الطاقة الزائدة خلال فترات الوفرة وتفريغها أثناء ذروة الطلب، والتي تتماشى بسلاسة مع متطلبات الطاقة المتقلبة أثناء عمليات تحلية المياه.
وبينت الدراسة أن لعملية الأكسدة والاختزال أهمية وفوائد كبيرة في إيجاد حل جديد تماما لأزمة المياه العالمية، حيث إنها توفر نهجا مرنا وقابلا للتطوير لتخزين الطاقة، مما يتيح الاستخدام الفعال لمصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، كما يمكن أن يقلل الاعتماد على شبكات الطاقة التقليدية، ويعزز أيضا التحول نحو عملية تحلية مياه محايدة للكربون وصديقة للبيئة.
وعن غاية الدراسة يقول تايلور: "من خلال الدمج السلس لتخزين الطاقة وتحلية المياه، تتمثل رؤيتنا في إيجاد حل مستدام وفعال لا يلبي الطلب المتزايد على المياه العذبة فحسب، بل يدعم أيضا الحفاظ على البيئة وتكامل الطاقة المتجددة، كما يمكن للأكسدة والاختزال أن يقلل الاعتماد على شبكات الطاقة التقليدية ويعزز أيضا التحول نحو عملية تحلية مياه محايدة للكربون وصديقة للبيئة".

تقنية جديدة لتنقية المياه مستوحاة من اللوف الطبيعي

نظام لتحلية مياه البحر.. Shutterstock_1396716149

الهيدروجيل المبتكر يشبه في بنيته اللوف الطبيعي ذا الفتحات الواسعة والمتداخلة

أصبح الهيدروجيل مادة واعدة في كثير من التطبيقات، إذ يمكن تطويعه للاستخدام في المجالات المتعلقة بالطاقة والبيئة، بما في ذلك التقنيات المستدامة لجمع وتنقية المياه. بيد أن العائق الحالي أمام نشر هذه التكنولوجيا هو معدل الإنتاج المنخفض.
وللتغلب على هذا التحدي، طوّر فريق من جامعة "برينستون" (Princeton University) بالولايات المتحدة هيدروجيلا سريع الاستجابة للتغير في درجات الحرارة، مستوحى في تصميمه من تركيب "لوف" (ليفة) الاستحمام الطبيعي.
هذا الهيدروجيل قادر على امتصاص المياه الملوثة من أي مصدر في درجات الحرارة العادية، ويعمل على تنقيتها بفعل الطاقة الشمسية، ومع رفع درجة الحرارة يمكنه تحرير مياه نقية في 10 دقائق فقط وحتى في ظروف الطقس الغائم، وبمعدل يكفي لتلبية الاحتياجات اليومية.
نتائج الدراسة نشرت في الثامن من فبراير/شباط الجاري في دورية "إيه سي إس سنترال ساينس" (ACS Central Science)، التي تصدرها الجمعية الكيميائية الأميركية.
نظام لتحلية مياه البحر.. U98989led-1

الهيدروجيل موضوع الدراسة قادر على امتصاص المياه الملوثة من أي مصدر في درجات حرارة عادية (الجمعية الكيميائية الأميركية)

مسامية عالية مستوحاة من لوف الاستحمام

اقترح الباحثون أن عملية التبخير المحفز بضوء الشمس قد تكون طريقة غير مكلفة اقتصاديا لتنقية المياه، غير أن هذه التقنية لا تعمل بكفاءة مقبولة عندما يكون الطقس غائما.
ويمكن أن يكون الهيدروجيل -على وجه التحديد- المستجيب للتغير في درجة الحرارة مثل الـ"بولي-إن-أيزوبروبيل أكريلاميد" (PNIPAm)، هو أحد الحلول للتغلب على هذه المشكلة والاستفادة من هذه التكنولوجيا لتحقيق الهدف السادس من أهداف الأمم المتحدة للتنمية المستدامة، وهو "ضمان توفر المياه النظيفة والنظافة الصحية للجميع".
ويعد هذا البوليمر من أسهل البوليمرات المستجيبة للتغير في درجة الحرارة في التشغيل، حيث يمتص الماء في درجات الحرارة المنخفضة والمعتدلة ويحرره بسهولة فور رفعها. ومع ذلك فإن الـ"بولي-إن-أيزوبروبيل أكريلاميد" التقليدي، بسبب عدم توفره على مسامات، غير قادر على إنتاج كمية من المياه النقية تكفي احتياجات الفرد اليومية.
ولأنه من المثبت علميا العلاقة الطردية بين المسامية وتدفق السوائل، فقد كان الهدف هو تحضير مادة تتميز بالمسامية العالية ومقاومة الانسداد، وقد استوحى الباحثون هذا التصميم عالي المسامية والمتسع الفتحات من لوف الاستحمام الطبيعي؛ فصمم الفريق هيدروجيلا يقوم على بوليمر الـ"بولي-إن-أيزوبروبيل أكريلاميد" المستجيب للحرارة.
نظام لتحلية مياه البحر.. Shutterstock_1638062842

نظام لتحلية مياه البحر.. Shutterstock_1638062842

كان لا بد من اختبار كفاءة اللوف البوليمري المحضر من الهيدروجيل للتأكد من مطابقته للمواصفات المطلوبة (شترستوك)

معدل إنتاج وتنقية غير مسبوق

كان لا بد من اختبار كفاءة اللوف البوليمري المحضر من الهيدروجيل للتأكد من مطابقته للمواصفات المطلوبة. فاختُبر أولا تحت تأثير مصدر شمسي صناعي، وثانيا لمعرفة مدى كفاءته في تنقية المياه من بعض الملوثات.
وأوضحت النتائج نجاح المادة الجديدة في امتصاص وتحرير 70% من الماء المستخدم في التجربة، مما يعني إنتاج الماء النقي بمعدل 4 مرات أعلى من معدل إنتاجية الهيدروجيل المرصود في الدراسات السابقة وفي 10 دقائق فقط.
اختُبر اللوف أيضا في ظل ظروف الإضاءة المنخفضة والسماء الملبدة جزئيا بالغيوم، واستغرقت عملية التنقية من 15 إلى 20 دقيقة حتى تحرر المادة كمية مماثلة من المياه.
وصرح الباحثون، بحسب البيان الصحفي المنشور على موقع "فيز دوت أورغ" (Phys.org)، بأنه بهذا المعدل فإن المادة الجديدة لديها القدرة على تلبية احتياجات الفرد اليومية.
ومن ثم اختُبر اللوف على عينات مياه ملوثة بالأصباغ العضوية والمعادن الثقيلة والزيت والجسيمات البلاستيكية الدقيقة. وأثبتت جميع الاختبارات كفاءة اللوف المصنع في تنقية المياه بكفاءة جيدة.
على سبيل المثال، تم اختبار كفاءة اللوف على عينات من الماء تحتوي على حوالي 40 جزءا في المليون من الكروم، وأكدت النتائج كفاءة الهيدروجيل المسامي في تنقية هذه المياه، حيث كان تركيز الكروم في الماء المنقى أقل من 0.07 جزء في المليون، أي أقل من الحد المسموح به من الكروم لمياه الشرب.
يقول الفريق البحثي أيضا إن التركيب اللوفي للهيدروجيل الفريد الذي تم ابتكاره يمكن أن يكون مفيدا في تطبيقات إضافية مثل أجهزة الاستشعار الذكية، بالإضافة إلى الفصل الكيميائي.

التعرض الطويل الأمد للنترات في مياه الشرب يرتبط بالإصابة بسرطان البروستاتا

نظام لتحلية مياه البحر.. Shutterstock_1206874831

التعرض للنترات من خلال مياه الشرب لا يعني أنك ستصاب بسرطان البروستاتا لكنها قد تشكل خطرا

يمكن أن تكون النترات -التي يتم تناولها على مدار حياة الشخص البالغ من خلال استهلاك مياه الصنبور والمياه المعبأة- عامل خطر للإصابة بسرطان البروستاتا، لاسيما في حالة الرجال الأصغر سنا، وفقا لنتائج دراسة أجريت في إسبانيا ونشرت يوم 8 مارس/آذار الجاري بدورية "إنفيرومنتال هيلث بريسبيكتيفز" (Environmental Health Perspectives).
وتشير الدراسة أيضا إلى أن النظام الغذائي يلعب دورا مهما، إذ وجد الباحثون أن تناول الكثير من الألياف والفواكه والخضار وفيتامين "سي" يمكن أن يقلل من التأثير السلبي للنترات في مياه الشرب.

أكثر ملوثات المياه شيوعا

مع هطول الأمطار، تنجرف هذه الملوثات (النترات وثلاثي هالو الميثان Trihalomethanes – THMs) في الأنهار ومصادر المياه الأخرى، وينتهي بها الأمر في النهاية بمياه الشرب، لذلك تعتبر النترات وثلاثي الميثان من أكثر الملوثات شيوعا في مياه الشرب.
وتعد الأسمدة الزراعية، والسماد الناتج عن تربية الماشية، المصادر الرئيسية لهذه الملوثات. ويتم إنتاج ملوثات ثلاثي هالو الميثان بعد عمليات تطهير المياه، ويمكن استنشاقها أو امتصاصها من خلال الجلد عند التعرض للماء أثناء الاستحمام أو السباحة على سبيل المثال.
نظام لتحلية مياه البحر.. Shutterstock_700352047

نظام لتحلية مياه البحر.. Shutterstock_700352047

الملوثات تصل إلى الجسم عن طريق الاستنشاق أو امتصاص الجلد عند التعرض للماء أثناء الاستحمام أو السباحة (شترستوك)
وفي حين أشارت الجهود البحثية السابقة إلى روابط بين التعرض الطويل الأمد للنترات وثلاثي هالو الميثان مع ارتفاع مخاطر الإصابة بسرطان المثانة، يتحدث معدو الدراسة الجديدة عن وجود أدلة على صلات محتملة بينها وبين سرطان البروستاتا، وهو أحد أكثر أنواع السرطان شيوعا بين الرجال، وفقا للبيان الصحفي المنشور على موقع "يوريك ألرت" (EurekAlert).
وقالت المؤلفة الرئيسية للدراسة "كارولينا دونات-فارجاس" الباحثة في معهدي كارولينسكا في السويد، ومؤسسة "أي ميديا فوود" (IMDEA food) في إسبانيا، -في تصريح للجزيرة نت عبر البريد الإلكتروني- إن النتائج التي أسفرت عنها الدراسة توضح بالفعل المخاطر المرتبطة بالنترات المنقولة عن طريق الماء إلى جسم الإنسان خاصة أولئك الذين تستقبل أجسامهم مستويات من النترات أعلى من المستويات المسموح بها.

الارتباط لا يعني السببية

حلل الباحثون البيانات من حوالي 700 من حالات سرطان البروستاتا (بما في ذلك 97 حالة سرطان خبيث) تم علاجها في المستشفيات الإسبانية الفترة من 2008 إلى 2013، بالإضافة إلى حوالي 900 رجل تتراوح أعمارهم بين 38 و85 عاما، كمجموعة تحكم لم تتعرض للإصابة بالمرض.
وقد أظهر التحليل أنه كلما زاد استهلاك النترات عن الحد المسموح به يوميا (14 ملليغراما في اليوم) زادت قوة الارتباط بخطر الإصابة بسرطان البروستاتا.
نظام لتحلية مياه البحر.. Shutterstock_1275157231

نظام لتحلية مياه البحر.. Shutterstock_1275157231

كلما زاد استهلاك النترات عن الحد المسموح به يوميا زادت قوة الارتباط بخطر الإصابة بسرطان البروستاتا (شترستوك)
في حين أظهرت النتائج أن التعرض لثلاثي هالو الميثان عن طريق مياه الصنبور في المنازل -من خلال الجلد والاستنشاق- كان مرتبطا بالفعل بتطور سرطان البروستاتا، ولم يكن هناك ارتباط بين المرض وبين دخول هذا الملوث إلى الجسم عن طريق الفم من خلال المياه.
وأوضحت الباحثة أن النتائج أظهرت علاقة ارتباط بين النوع الخبيث من سرطان البروستاتا وبين التعرض لملوثات النترات، وإن لم يكن هذا معناه بالضرورة وجود علاقة سببية بين المرض والتعرض لهذه الملوثات.
وتضيف فارجاس "يقدم هذا البحث دليلا فقط على الارتباط وليس السببية، وهناك حاجة إلى مزيد من البحث لتأكيد هذه الملاحظات. إن التعرض للنترات من خلال مياه الشرب لا يعني أنك ستصاب بسرطان البروستاتا. نأمل أن تشجع هذه الدراسة وغيرها على مراجعة مستويات النترات المسموح بها في الماء، من أجل ضمان عدم وجود خطر على صحة الإنسان".
ويوصي الباحثون بوضع حد للاستخدام العشوائي للأسمدة ومبيدات الآفات، وتقليل كمية الأطعمة الحيوانية في نظامنا الغذائي، في محاولة لتقليل مستويات التلوث.

يوصي الباحثون بوضع حد للاستخدام العشوائي للأسمدة ومبيدات الآفات، وتقليل كمية الأطعمة الحيوانية في نظامنا الغذائي، في محاولة لتقليل مستويات التلوث

» نظام لينكس .. نظام تشغيل متكامل ومجاني!!
» معادلة البحر الاحمر..واقع سيادي عسكري يمني على البحر
» نار تشتعل وسط منبع مياه
» مياه النيل الوعد والوعيد
» ندرة مياه الشرب في العالم