طوّر علماء جامعة روتشستر في نيويورك نظاما لتحلية المياه يعمل بالطاقة الشمسية، حيث يحول مياه البحر إلى مياه عذبة، مع إزالة معظم الأملاح المتبقية على شكل مواد صلبة، بدلا من إنتاج محلول ملحي ضار.
ويرى العلماء أن هذه التقنية ذاتية التنظيف يمكن بواسطتها استخلاص معادن قيّمة مثل الليثيوم، وهو ما قد يحوّل مخلفات التحلية إلى مورد مفيد.
لا يزال مليارات البشر حول العالم يفتقرون إلى إمكانية الحصول على مياه شرب آمنة بشكل موثوق.
وتشير تقديرات الأمم المتحدة إلى أن 2.2 مليار شخص لا يحصلون على مياه شرب مُدارة بشكل آمن، في حين تعتمد مناطق تمتد من كاليفورنيا إلى الشرق الأوسط بشكل متزايد على محطات تحلية المياه لتحويل مياه المحيطات إلى مياه عذبة.
ويمكن أن توفر تحلية المياه إمدادا حيويّا بالمياه، لكن الطرق الأكثر شيوعا اليوم تنطوي على عيوب كبيرة. فالتناضح العكسي، وهو التقنية الأكثر انتشارا وكفاءة في الوقت الحالي، يُمرر فيها الماء عبر أغشية متخصصة لإزالة الملح، بينما يستخدم التقطير الحراري الحرارة لفصل المياه العذبة عن مياه البحر.
كلتا الطريقتين تستهلكان كميات كبيرة من الطاقة، وغالبا ما تتطلبان معالجة المياه قبل العملية وبعدها، وتنتجان نفايات مالحة شديدة التركيز تُعرف باسم المحلول الملحي، وعندما يُصرَف هذا المحلول الملحي مرة أخرى إلى المحيط، فإنه يمكن أن يزيد من الملوحة المحلية ويقلل من مستويات الأكسجين، مما يخلف ظروفا ضارة للكائنات البحرية.
وفي تصريحاته الخاصة للجزيرة نت، يقول قائد البحث البروفيسور تشونلي غوو أستاذ كرسي في مختبر طاقة الليزر بجامعة روتشستر "من أبرز الصعوبات التي تواجه العمليات التقليدية في تحلية مياه البحر أن هذه العمليات تتطلب قدرا كبيرا من الطاقة ومعالجة للمياه، مما يرفع التكاليف، كما أنها تنتج محلولا ملحيا مركزا يتطلب التخلص منه بعناية لحماية النظم البيئية البحرية. ويُعد استخلاص المعادن المفيدة من هذه النفايات تحديا آخر".
طور الباحثون في جامعة روتشستر نهجا مختلفا يمكن أن يساعد في معالجة العديد من مشكلات التحلية في آن واحد، فقد ابتكروا نظاما لتحلية المياه بالطاقة الشمسية الحرارية، مصمما لإنتاج المياه العذبة بكفاءة عالية دون توليد محلول ملحي سائل أو الحاجة إلى مواد كيميائية لمعالجة المياه الواردة مسبقا.
وفي هذا الصدد، يقول تشونلي "لقد قمنا في هذا النظام باستخدام الليزر لتكوين هياكل دقيقة للغاية (على مقياس الميكرو والنانو) على سطح معدني. وتجعل هذه الهياكل المعدن أسود داكنا، فيمتص معظم ضوء الشمس، كما تمنحه خاصية الانجذاب الشديد للماء، وهي خاصية نطلق عليها اسم الامتصاص الفائق".
ويضيف "وتُعد قدرة سطحنا على الامتصاص الفائق الأقوى من نوعها على الإطلاق، حيث تسحب طبقة رقيقة جدا من مياه البحر إلى الأعلى عكس اتجاه الجاذبية، ويعمل ضوء الشمس الذي يمتصه السطح الأسود على تسخين هذه الطبقة الرقيقة بكفاءة عالية، محولا إياها إلى بخار ماء. وعند تجميع هذا البخار وتكثيفه، نحصل على مياه عذبة ونقية".
ويوضح تشونلي "تتميز طبقة الماء المسحوبة للأعلى برقتها الشديدة، مما يتيح لضوء الشمس تبخيرها بسرعة. ومع تحول الماء إلى بخار، تترسب الأملاح الذائبة على السطح في صورة بلورات صلبة بدلا من تشكيل محلول ملحي مركز. ويمكن بعد ذلك تجميع هذه المواد الصلبة، مما يتيح لنا إزالة جميع الأملاح المتبقية تقريبا دون إنتاج تدفقات نفايات ضارة، وكذلك استعادة معادن قيّمة مثل الليثيوم وموارد مفيدة أخرى".
تعتمد هذه التقنية بشكل أساسي على ألواح شمسية مصنوعة من معدن أسود معالج بأشعة ليزر الفيمتو ثانية، وتستطيع نبضات أشعة الليزر هذه فائقة السرعة تغيير سطح المادة بدقة متناهية، مما يُنشئ هياكل مجهرية تُغير بشكل جذري كيفية تفاعلها مع الضوء والماء.
كما أن المعالجة بالليزر تجعل المعدن فعالا للغاية في امتصاص ضوء الشمس، وتمنحه خصائص امتصاص فائقة، مما يعني أن الماء ينتشر بسرعة عبر السطح بدلا من أن يتجمع على شكل قطرات.
ومن المزايا الرئيسية الأخرى ما يحدث للملح بعد إزالة الماء، فبدلا من إنتاج محلول ملحي سائل مركز يجب معالجته أو تصريفه، يقوم النظام باستخلاص ما يقرب من 100% من الأملاح المذابة في شكل صلب.
حيث قد تتحول هذه المادة إلى مورد قيّم بدلا من كونها نفايات. ويمكن استخدام جزء منها كملح طعام، بينما يمكن استخلاص معادن أخرى أكثر قيمة منها.
أحد الأهداف المهمة في هذا النظام هو استخلاص مواد مفيدة، وبشكل خاص الليثيوم، وهو مادة أساسية تستخدم في بطاريات الليثيوم أيون التي تشغل المركبات الكهربائية والهواتف الذكية وأجهزة الحواسيب المحمولة والعديد من الأجهزة الإلكترونية الأخرى.
وحول الكيفية التي يُستخلص بها الليثيوم من المياه المالحة، يقول تشونلي "نقوم بدمج جسيمات نانوية قادرة على التقاط الليثيوم داخل القنوات المجهرية للوح، حيث تعمل هذه الجسيمات على التقاط أيونات الليثيوم بشكل انتقائي".
ويضيف "وبعد ذلك، يُحرَّر الليثيوم الملتقط في محلول لإجراء عمليات تنقية إضافية. وفي الاختبارات التي أُجريت باستخدام مياه البحيرة المالحة الكبرى تمكنا من استخلاص ما يقرب من 50% من الليثيوم الموجود. وبذلك، يمكننا استعادة معادن قيّمة بالتزامن مع تحلية المياه".
