م. عمر داود – هندسة كيميائية – معهد الملك عبدالله لتقنية النانو

د. منصور الحوشان – هندسة وعلوم المواد – معهد الملك عبدالله لتقنية النانو

تقنية تقوم باستخدام الأغشية شبه المنفذة، كحاجز يفصل بين طورين، وتعمل على تقييد مرور كثير من الأصناف والمواد الكيميائية بشكل محدد. ويستمد هذا التقييد طبيعته من طبيعة الغشاء الحيوي أو المصنع، فيمكن أن يكون الغشاء متجانسًا أو غير متجانس أو متماثلاً أو غير متماثل في تركيبه وهيكلته، صلبًا أو سائلاً، وقد يكون موجبًا أو سالب الشحنة، أو قد يكون ثنائي القطب، وبسمك متفاوت يصل إلى أكثر من سنتيمتر، وإلى أقل من 10 نانومتر. ويمكن أن تحدث آلية انتقال المادة من خلال الغشاء من طريق الحمل الهيدرودينامي، أو من طريق انتشار الجزيئات بالتخلل، تحت تأثير القوة الدافعة الناتجة عن تدرُّج في المجال الكهربائي، أو اختلاف في درجة الحرارة أو الضغط أو التركيز. ومن ثمَّ، فإنَّ الغشاء يشمل مجموعة كبيرة ومتنوعة من المواد والتركيبات، وغالبًا ما يمكن وصف الغشاء بشكل أفضل من حيث تطبيقاته التقنية واستخداماته العملية. 

أنواع الأغشية:

يمكن تصنيف الأغشية الصناعية على حسب خاماتها والمواد المستخدمة في تصنيعها، ومن أبرزها ما يأتي: 

الأغشية البوليمرية:

تعد رائدة في السوق الصناعي بسبب أدائها المميز وكلفتها المنخفضة. وعند اختيار بوليمر لتصنيع الأغشية يجب أن يحتوي على خصائص مناسبة للتطبيق المُراد القيام به، في عدة جوانب؛ أبرزها تحمُّل الظروف القاسية من درجات حرارة وضغط مرتفعة، ومناسبته من حيث حجمه وتركيزه وقطبية مجموعاته الوظيفية، ويمكن أن تشكل البوليمرات هياكل غير متبلورة وشبه بلورية، وهذا ما يؤثر في أداء الغشاء. ويمكن تطعيم كثير من الأغشية البوليمرية وتعديلها حسب الطلب، أو يتم إنتاجها كبوليمرات مشتركة لتحسين خصائصها. ومن البوليمرات الأكثر شيوعاً في تركيب الأغشية: أسيتات السليلوز، ومتعددات السلفون، ومتعدد الأميد. 

طرائق تحضير الأغشية البوليمرية:

يعتمد اختيار تقنية التحضير على اختيار البوليمر المكون للغشاء والبنية المطلوبة منه. كثير من التقنيات المتنوعة تستخدم في تصنيع الأغشية، ومن أبرزها: التلبيد، التمدد، حفر المسار، ترشيح القالب، البلمرة البينية، الغزل الكهربائي، وأشهرها انعكاس الطور، أو الذي يُعرف كذلك بفصل الطور.

أغشية الترشيح على أساس مساميتها وحجم الجزيئات التي يتم فصلها واستبعادها من مياه التغذية، وتنقسم إلى: الترشيح الدقيق بحجم يراوح بين 0.1 و1 ميكرون، ويراوح حجم الترشيح المستدق بين 20 و 1000 أنجستروم، أما الترشيح النانوي بحجم أقل من 2 نانومتر، وأغشية التناضح العكسي التي تصنف بأنها غير مسامية. 

تصميم الأغشية:

يمكن تصنيف البنية التصميمية للأغشية إلى أربعة أنواع رئيسة: النوع الأنبوبي، والنوع الإطاري، والنوع الحلزوني الملفوف، والشعيرات المجوفة. ويعد النوعان الأول والثاني من التصميمات القديمة، فيما يعدُّ النوعان الثالث والرابع من التصميمات الحديثة ذات الكفاءة العالية من حيث تكلفة الإنتاج واستهلاك الطاقة، لكن مع احتمالية أعلى لحدوث الاتساخ خلال عمليات الفصل.

التطبيقات:

تعد تحلية المياه ومعالجتها من أهم تطبيقات الأغشية الصناعية. ويمكن تصنيف أغشية الترشيح على أساس مساميتها وحجم الجزيئات التي يتم فصلها واستبعادها من مياه التغذية، وتنقسم إلى: الترشيح الدقيق بحجم يراوح بين 0.1 و1 ميكرون، ويراوح حجم الترشيح المستدق بين 20 و 1000 أنجستروم، أما الترشيح النانوي بحجم أقل من 2 نانومتر، وأغشية التناضح العكسي التي تصنف بأنها غير مسامية.

التناضح العكسي:

تعد عملية التناضح العكسي من أدق تقنيات تنقية المياه، حيث يقوم غشاء الترشيح بحجز الأملاح الذائبة والمواد العضوية وغير العضوية، فيما يسمح بمرور الماء وتنقيته. ويمكن تعريف التناضح بأنه الظاهرة الطبيعية لانتقال المياه من الوسط الأقل تركيزاً إلى الوسط الأعلى تركيزًا عند فصل طورين بغشاء شبه منفذ يسمح بمرور المياه، ويمنع مرور الأملاح. وعند تطبيق ضغط أعلى من ضغط التناضح ينتقل الماء من الوسط الأعلى تركيزًا المشبع بالأملاح إلى الوسط النقي الأقل تركيزًا، وبهذا تتم عملية التناضح العكسي لتحلية المياه. المفاعل الحيوي الغشائي: يشكل هذا المفاعل ربطًا لعمليات معالجة مياه الصرف بتقنية الأغشية، مثل: الترشيح الدقيق والترشيح المستدق. وغالبًا ما يتم استخدام المفاعل الحيوي الغشائي لتنقية مياه الصرف الناتجة عن المدن ومختلف أنواع الصناعة، وما تسببه من تلوث للمياه، وتسرب للمواد الخطرة والسامة، فيقوم هذا المفاعل بتنقية المياه من تلك المواد وجعلها آمنة لإعادة الاستخدام، أو التخلُّص منها في البحار دون التسبب بضرر بيئي.

خاتمة:

تقنية الأغشية تقنية متشعبة ومنتشرة في شتى مجالات الصناعة والتطور التقني، وتشكل طفرة في التحكم بمختلف المواد والعناصر الكيميائية الدقيقة وتنظيمها وفصلها على حسب تطبيقاتها، وهذا ما يتيح آفاقًا واسعة في الجانب العلمي والعمل الكيميائية الدقيقة وتنظيمها وفصلها على حسب تطبيقاتها، وهذا ما يتيح آفاقًا واسعة في الجانب العلمي والعملي.