חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת טקסס באוסטין מיפו לראשונה ממברנות במצב רטוב באמצעות קריו-טומוגרפיית TEM, גילו התרחבות נפח של כ־30% תחת זרימת מים, ומציעים תובנות לתכנון ממברנות יעילות יותר; המחקר נבחר לשער ACS Nano
מחקר משותף שנערך בטכניון ובאוניברסיטת טקסס באוסטין חושף תובנות חדשות באשר למבנה של ממברנות המשמשות להתפלת מים. כתב העת ACS Nano, בו פורסמה העבודה, בחר במחקר לכתבת השער שלו. בניגוד למחקרים קודמים, שהתמקדו באפיון הממברנה במצבה היבש, המחקר הנוכחי אפיין את הממברנה גם במצבה הרטוב וגילה הבדלים דרמטיים בין שני המצבים. הבדלים אלה משפיעים על תפקוד הממברנה ולכן הבנתם חשובה מאוד לשיפור ממברנות המיועדות להתפלה ולטיהור.
את המחקר הובילו פרופ"ח תמר סגל-פרץ מהפקולטה להנדסה כימית ע"ש וולפסון, פרופ"ח גיא רמון מהפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית ופרופ' מניש קומר מאוניברסיטת טקסס באוסטין יחד עם הדוקטורנט צ'נהאו יאו מאוניברסיטת טקסס באוסטין וד"ר עדי בן-צבי (מנחם), שערכה את המחקר בעת שהייתה דוקטורנטית בתוכנית לננו-מדעים וטכנולוגיה בטכניון וכיום היא פוסט-דוקטורנטית באוניברסיטת רייס ביוסטון, טקסס.
להערכת ארגון הבריאות העולמי, כרבע מאוכלוסיית העולם סובלת ממחסור במי שתייה, ואכן, מים ראויים לשתייה נכללים בין 17 יעדי האו"ם לפיתוח בר-קיימא. לאור זאת ברורה חשיבותן של טכנולוגיות התפלה והשבת מים – במיוחד באזורים צחיחים כמו ישראל, שהפכה למעצמה בתחומים אלה. כיום מספקים חמשת מתקני ההתפלה הפועלים בישראל כ-70% מצריכת המים הביתית. ישראל בולטת גם בתחום השבת המים: כ-85% ממי השפכים מטופלים ומשמשים להשקיה.
הטכנולוגיה הנפוצה ביותר כיום להתפלת מים היא אוסמוזה הפוכה. בתיאור פשטני, זהו תהליך שבו מים עוברים דרך ממברנה, אך המלחים אינם מצליחים לעבור דרכה. אוסמוזה היא תופעה טבעית שבה מים נעים מתמיסה דלילה לתמיסה מרוכזת יותר דרך ממברנה, עד להשוואת ריכוזים. לעומת זאת, באוסמוזה הפוכה כיוון הזרימה מתהפך והמים נעים – באמצעות השקעת אנרגיה – מהתמיסה המרוכזת (למשל מי ים) לתמיסה הדלילה (מים מותפלים). תהליך זה מאפשר הפקת מים מתוקים בכמויות משמעותיות ממקורות מים בלתי קונבציונליים כגון מי ים, מים מליחים ומי שפכים. למרות שממברנות אוסמוזה הפוכה הן כלי מרכזי בהתפלת מים, עדיין קיימים פערי ידע באשר לקשר בין מבנה הממברנה לתפקודה. הסיבה לכך היא שמיפוי מדויק של הממברנה בתנאים שונים לוקה בחסר. מאחר שמדובר בממברנות דקות מאוד (כ-200 ננומטר) ובעלות צורה תלת-ממדית מורכבת, האיפיון בשיטות קודמות, כגון מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM), אינו מספק הבנה מלאה של המבנה המורכב.
במחקר שהובילו החוקרים מהטכניון ומטקסס נערך מיפוי ראשון מסוגו, ברזולוציה גבוהה, של המורפולוגיה התלת-ממדית של הממברנה לאחר חשיפתה למים – כלומר בתנאים הקרובים לתנאים הממשיים שבה מתרחשת האוסמוזה ההפוכה. האפיון התלת ממדי בוצע באמצעות טומוגרפיה במיקרוסקופ אלקטרונים חודר, כאשר הממברנה רוויה במים וקפואה (cryogenic-TEM tomography). החוקרים גילו כי המבנה של הממברנה משתנה באופן דרמטי כאשר עוברים בה מים, ונפחה גדל בשיעור של כ-30% ואף יותר. מאחר שעד כה בוצעו אפיוני ממברנות רק על בסיס מצבן היבש, מדובר בתגלית דרמטית הן מבחינה מדעית והן מבחינת השלכותיה היישומיות. האפיון הנננומטרי החדש צפוי לשפר משמעותית את תכנונן של ממברנות עתידיות ואת ביצועיהן, וכך לייעל את הטכנולוגיות המשמשות להתפלת מים והשבתם.
במחקר תמכו הקרן הלאומית למדע (בישראל), קרן WoodNext, קרן הסטארטאפים של אוניברסיטת טקסס, משרד האנרגיה והתשתיות (בישראל), ומשרד האנרגיה (בארה"ב). שיתוף הפעולה בין הטכניון לאוניברסיטת אוסטין נתמך על ידי המילגה ע"ש רחמימוף מטעם הקרן הדו-לאומית למדע ארצות הברית-ישראל (BSF), אשר עזרה במימון ביקור בן חודשיים של ד"ר בן-צבי אוניברסיטת טקסס-אוסטין.
למאמר בכתב העת ACS Nano לחצו כאן
עוד בנושא באתר הידען:
