ממברנה מהפכנית להתפלת מים

חוקרים מביה”ס להנדסה ומדע יישומי באוניברסיטת UCLA פיתחו משפחה חדשה של ממברנות לאוסמוזה-הפוכה עבור התפלת מים המסוגלות לעמוד בפני סתימות הנוצרות באופן טיפוסי כאשר מטהרים מי-ים, מים מלוחים ומים דלוחים.

הממברנה הינה בעלת חדירות גבוהה וניתנת להתאמה בקלות למערכות ייצור מסחריות קיימות, מסבירים החוקרים, ותוכל לסייע בהפחתה משמעותית בעלויות התפעול של התפלת מים. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Journal of Materials Chemistry.

בהתפלה באמצעות תהליך של אוסמוזה הפוכה (פעפוע הפוך, Reverse-osmosis, RO) משתמשים בלחץ גבוה בכדי לאלץ מים מזוהמים לעבור דרך חרירים זעירים של ממברנה. בעוד שפרודות המים מצליחות לעבור דרך החרירים, יוני מלחים מינראליים, חיידקים ושאר זיהומים חלקיקיים אינם מצליחים לעשות כן. עם הזמן, חלקיקי מזהמים אלו מצטברים על פני שטח הממברנה והצטברות זו מובילה בסופו של דבר לסתימת החרירים ולאובדן הפעילות של הממברנה. הצטברות הזיהומים והסתימה הנוצרת בעקבותיה, גורמות לצריכה אנרגיה גבוהה יותר ממערכות השאיבה, לניקוי יקר שלהן ולהחלפת הממברנה עם הזמן. הכימיה וטופוגרפיית פני-השטח החדשניים של הממברנה שפותחה באוניברסיטת UCLA מאפשרות הימנעות מקשיים אלו.

“מלבד היותה בעלת חדירות מים גבוהה, הממברנה החדשה מפגינה גם תכונות של דחייה גבוהה ויציבות ארוכת טווח,” אמרה Nancy H. Lin, מהנדסת באוניברסיטה והכותבת הראשית של המאמר. “בניית פני-שטח הממברנה אינה דורשת זמן רב, טמפרטורת תגובה גבוהה או שימוש בתא ואקום. תכונת דחיית ההצטברות, העשויה להאריך את זמן החיים של הממברנה ולהפחית את עלויות התפעול, טובה יותר מאלו המצויות בממברנות מסחריות קיימות.”

הממברנה החדשה הוכנה ע”י סינתזה בעלת שלושה שלבים. בשלב הראשון, החוקרים הכינו שכבה דקיקה של הרכב ממברנה פוליאמידי באמצעות שיטות פלמור רגילות. בשלב הבא הם שיפעלו את המשטח הפוליאמידי ע”י הזרמת פלסמה (גז מיונן) בלחץ אטמוספרי לשם יצירת אתרים פעילים ע”ג המשטח. בשלב האחרון, אתרים פעילים אלו שימשו לשם ייזום פולימריזציית הרכבה (graft) עם תמיסת מונומר לקבלת שכבת פולימר דמוי סיבי מברשת ע”ג משטח הפוליאמיד. פלמור זה מתבצע במשך זמן ובטמפרטורה מוגדרים בכדי לשלוט על עובי ומבנה שכבת הפולימר.

“בשנים קודמות, טיפול במשטחים ע”י פלסמה יכול היה להתבצע רק בתא ואקום,” מסביר החוקר יורם כהן, פרופסור להנדסה כימית וביומולקולארית באוניברסיטת UCLA ואחד מכותבי המאמר. “השיטה לא הייתה מעשית עבור מסחור בקנה-מידה רחב מאחר ולא ניתן היה לסנתז אלפי מטרים של ממברנות בתוך תא ואקום. שיטה כזו יקרה מידי. אולם עתה, עם גילוי אפשרות השימוש בפלסמה בלחץ אטמוספרי, אין לנו צורך אפילו ליזום כימית את התגובה. הדבר פשוט ממש כמו “ללטף” את המשטח עם פלסמה, וניתן לעשות כך כמעט בכל משטח.”

בממברנה חדשנית זו, שרשראות הפולימר נמצאות בתנועה מתמדת. השרשראות מעוגנות כימית למשטח ועל-כן הן יציבות יותר תרמית, זאת בהשוואה למשטחים פולימריים שצופו באופן פיסיקלי. זרם המים תורם גם הוא לתנועת שרשראות “המברשת” ומקשה מאוד על חיידקים וחומרים קולואידיים אחרים מלהתמקם על-גביי משטח הממברנה.

“אם צללת אי-פעם, אתה יודע כי אצות ים נעות הלוך ושוב עם כיוון זרימת המים,” אמר החוקר כהן. “אם כך, דמיין לעצמך את המבנה המשתנה שלנו בעל התנועה המתמדת. חלבונים או חיידקים צריכים להתעגן למספר נקודות על הממברנה בכדי להיספח אליה – משימה קשה ביותר לביצוע בשל התנועה המתמדת של “שערות” הפולימר. שרשראות הפולימר מגינות ומסוככות על משטח הממברנה שמתחתיהן.”

גורם נוסף במניעת ההידבקות הוא המטען החשמלי של משטח הממברנה. צוות המחקר מסוגל לבחור את הכימיה של שרשראות הפולימר וליצור בכך מטען חשמלי רצוי על המשטח, כך שהממברנה תהיה מסוגלת לדחות פרודות בעלות מטען נגדי. בשלבים הבאים מתכננים החוקרים להרחיב את הסינתזה של הממברנה לקנה-מידה גדול יותר, להפוך את התהליך לרציף ולשפר עוד את הביצועים של הממברנה החדשנית ביחס למקורות מים שונים.

“אנו מעוניינים להיות מסוגלים להצטמצם וליצור מערכת לבחירת ממברנה עבור מגוון מקורות מים בעלי רמות זיהומים נבדלים,” אמרה החוקרת הראשית. “עם ידע שכזה, ניתן לייעל את תכונות המשטח של הממברנה באמצעות שכבות פולימריות מגוונות לשם מניעת ההזדהמות וההיסתמות של הממברנה.

“בעקבות כך, מחיר ההתפלה יפחת בשל צמצום עלויות הכימיקלים (המשמשים לניקוי חרירי הממברנה) ובשל צמצום עלויות התפעול (החלפת הממברנות מדי פרק זמן). בסופו של דבר, התפלה תוכל להפוך לאמצעי חסכוני יותר ולשמש כחלופה ברת-קיימא למקורות מים טבעיים.”

ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Journal of Membrane Science.

הידיעה מהאוניברסיטה