מים נקיים יותר

חוקרים בפקולטה להנדסת מכונות מציגים מערכת משופרת להתפלת מים והשבת מים לצורכי חקלאות

חוקרים בפקולטה להנדסת מכונות בטכניון ועמיתיהם בהולנד פיתחו שיטה חדשנית לטיהור מים ממזהמים. הם הראו כי היפוך סדר האלקטרודות בתהליך מוביל לשיפור משמעותי בטיהור המים. את המחקר שהתפרסם ב-PNAS, כתב העת של האקדמיה האמריקנית למדעים, הובילו חוקרי הטכניון פרופ’ מתי סאס והדוקטורנטים עמית שוקרון ואריק גאיס עם ד”ר יאוקה דיקסטרה מאוניברסיטת ווגנינגן בהולנד.

טיהור מים לצורכי חקלאות הוא אתגר טכנולוגי מורכב שחשיבותו רבה במיוחד בישראל, שבה רוב מי השופכין מושבים לצורכי חקלאות ורוב הגידולים החקלאיים בנגב מבוססים על מים כאלה. השקיית שדות ומטעים במים עתירי מלחים גורמת נזקים חקלאיים מגוונים ובהם פגיעה בעלים, היווצרות קרחות בשדה ובמקרים חמורים הרס הקרקע והשבתתה כקרקע חקלאית.

בעקבות המחסור הגובר במים הוקמו בישראל בעשורים האחרונים מתקני התפלה המספקים לנו כיום חלק נכבד ממי השתייה. עם זאת, התפלת מי ים וטיהור מים לצורכי שתייה וחקלאות הם אתגרים טכנולוגיים מורכבים, זאת בין השאר משום שבתהליכים אלה אנו מבקשים לא רק לסלק מהמים את הרעלים אלא לשמר בהם את החומרים החיוניים לבריאותנו ולבריאות הגידולים החקלאיים.

אחד המרכיבים המרכזיים בתהליך ההתפלה הסטנדרטי הוא הממברנה – מסנן מתוחכם המסלק חלק מאותם רעלים. בתהליך זה מועברים המים בלחץ דרך הממברנה וחלק מהחלקיקים נחסמים על פי גודלם או מטעניהם החשמליים. עם זאת, הממברנה היא חלק יקר לרכישה, להתקנה ולתחזוקה ויש להחליפו תדיר או לטפל בו – מה שמחייב הפסקה של תהליך ההתפלה. יתר על כן, הממברנה “מפספסת” חלקיקים קטנים שהיא אינה מצליחה לחסום.

המחקר שהתפרסם ב-PNAS מציג פריצת דרך בתחום זה. המחקר התמקד בבורון – חומר רעיל שחשוב לסלק ממי השתייה. הבורון נמצא באבקות כביסה ובחומרי ניקוי אחרים, וכשהוא חודר לקרקע חקלאית הוא פוגע בה ובהמשך גם בנו, צרכני המים והיבולים. ייחודו של הבורון בכך שהוא אינו מסולק בשיעור מספק בשלב הסטנדרטי של ההתפלה, הנערך בסביבה של חומציות נייטרלית (pH=7). כדי להרחיקו נדרש סבב התפלה נוסף המבוצע בחומציות גבוהה (בסביבות pH=10).

המערכת שבנו חוקרי הטכניון מבוססת על אלקטרודות פשוטות וזולות ועל הקונספט של CDI – טיפול ללא ממברנה. קונספט זה בנוי על תהליך מחזורי של הטענה ופריקה של אלקטרודות (אנודה וקתודה); בשלב הטעינה נצמדים היונים אל האלקטרודה וכך מסולקים מהמים, ובשלב הפריקה הם משתחררים לזרם השפכים – הזרם המלוח שאינו מיועד להשקייה ולשתייה. 

באופן מסורתי, במערכות CDI להסרת בורון מוזרמים המים דרך הקתודה אל האנודה; המערכת שפיתחו החוקרים הופכת סדר זה: קודם עוברים המים דרך האנודה ורק אז דרך הקתודה, וכך נוצרת דינמיקה יעילה יותר של חומציות וסילוק יעיל יותר של בורון. יתר על כן, החוקרים הראו כי הגברת המתח החשמלי אינה בהכרח משפרת את יעילות המערכת, ובמילים אחרות – קיים מתח אופטימלי, שאותו אפשר לחשב. 

החוקרים הראו כי אף שהמודל החדש פותח כקונספט תאורטי, הוא אכן משיג את הטיהור האמור גם במערך ניסויי, והם מעריכים כי קונספט זה יימצא יעיל גם במתקנים מסחריים שייבנו על פיו. הם מדגישים כי אף שהמחקר נעשה על בורון הוא רלוונטי למכלול רחב של מזהמים וחומרים יקרי ערך דומים.

פרופ’ מתיו סאס הוא חבר סגל בפקולטות להנדסת מכונות ולהנדסה כימית ע”ש וולפסון וחבר בתוכנית האנרגיה ע”ש גרנד.

למאמר בכתב העת PNAS לחצו כאן