دستاورد نانویی ایران: شیرین‌سازی آب با انرژی خورشیدی و غشاهای ضدآب

توسعه غشاهای PVDF با ساختار سطحی بهینه

محققان دانشگاه صنعتی اصفهان با هدف افزایش بازده و طول عمر عملیاتی فناوری PVMD، غشاهای پلی‌وینیلیدن فلوراید (PVDF) با ساختار سطحی بهینه را طراحی کرده‌اند. این دستاورد با تغییر ساختار سطح غشاها و افزودن نانوذرات کربن حاصل شده است. سطح متخلخل و خشن این غشاها، نور خورشید را به طور مؤثر جذب و ذخیره می‌کند و همزمان انتقال آب را تسهیل کرده و مقاومت غشا در برابر خیس شدن را افزایش می‌دهد.

تیم تحقیقاتی با استفاده از فناوری نانو، نانوذرات کربن را به محلول‌های پلی‌وینیلیدن فلوراید اضافه کرده و با روش‌های الکتروریسی و کستینگ، غشاهایی با سطحی خشن و متخلخل تولید کردند.

نقش دوگانه نانوذرات کربن

نانوذرات کربن در این سیستم دارای ویژگی دوگانه هستند:

• افزایش جذب نور: این ذرات جذب نور را افزایش داده و آن را به گرما تبدیل می‌کنند.
• تسهیل تبخیر: با ایجاد شبکه‌های رسانای حرارتی موضعی، فرآیند تبخیر را تسهیل می‌بخشند.

بهینه‌سازی سطح غشا و افزایش بازده

مطالعات نشان می‌دهد که ساختار سطح غشا با پارامترهایی نظیر زبری متوسط و تخلخل رابطه‌ای مستقیم دارد. هرچه سطح خشن‌تر و متخلخل‌تر باشد، جذب نور خورشید بهتر، انتقال مولکولی بهینه‌تر و مقاومت غشا در برابر خیس شدن کمتر می‌شود. به عنوان مثال:

فناوری سطح Omniphobic برای پایداری طولانی‌مدت

یکی از ویژگی‌های کلیدی این غشاها، تغییر سطح با استفاده از پلاسمای کم فشار و مونومرهای پرفلوئوروکتیل آکریلات است که سطح را Omniphobic یا ضدآب و ضدچربی می‌کند. این اصلاح سطحی تضمین می‌کند که غشا حتی در تماس طولانی‌مدت با محلول‌های خوراک حاوی سورفکتانت‌ها، عملکرد پایدار خود را حفظ کند.

آزمایش‌ها نشان دادند که غشاها حتی در حضور ۰.۶ میلی‌مولار سدیم دودسیل سولفات به مدت ۵۴۰ دقیقه بدون کاهش بازده کار می‌کنند.

آینده شیرین‌سازی آب و کاهش هزینه‌ها

این پژوهش نشان داد که ترکیب فناوری نانو و مهندسی سطح، امکان طراحی غشاهایی را فراهم می‌کند که هم عملکرد تبخیر بالا داشته باشند و هم در برابر خیس شدن و تجمع آلاینده‌ها مقاوم باشند. این طراحی می‌تواند زمینه را برای تولید آب شیرین از منابع مختلف، به ویژه در مناطق کم‌آب، فراهم کرده و همزمان با بهره‌گیری از انرژی خورشیدی، مصرف انرژی و هزینه‌های عملیاتی را کاهش دهد.

با تغییر سرعت چرخش جمع‌آوری در الکتروریسی و پارامترهای محلول، زبری و تخلخل سطح غشا قابل کنترل است. این پارامترها به طور مستقیم بر فعالیت فوتوترمال تأثیر می‌گذارند و رابطه‌ای خطی با ضریب تعیین بالای ۰.۹ نشان می‌دهند که طراحی دقیق سطح را پیش‌بینی‌پذیر و قابل اطمینان می‌کند.

غشاهای تولید شده، علاوه بر بازده بالا، جریان نفوذ (Permeate Flux) برابر ۲.۸۵ کیلوگرم بر متر مربع در ساعت ارائه دادند و به دلیل اصلاح نانویی سطح، پایداری طولانی‌مدت خود را حفظ کردند. این ویژگی‌ها، PVMD را به یک فناوری عملی برای واحدهای کوچک و بزرگ آب‌شیرین‌کن تبدیل می‌کند که می‌توانند در مناطق با نور خورشید محدود یا با حضور آلاینده‌ها عملکرد قابل اعتماد داشته باشند.

این پروژه نمونه‌ای موفق از ادغام مهندسی پلیمر، فناوری نانو و کاربردهای انرژی تجدیدپذیر است که می‌تواند راه را برای تولید آب شیرین پایدار با استفاده از انرژی خورشیدی هموار کرده و محدودیت‌های فعلی غشاهای سنتی را از بین ببرد.