بهدف الاستفادة منها في عمليات التنقية النانوية للمذيبات لتوفير الطاقة
فريق بحثي من مركز الأغشية وتكنولوجيا المياه المتقدمة في جامعة خليفة يطورون أغشية عضوية جديدة من مادة الغرافين

يشير وجود العديد من أنواع المذيبات التي تختلف في خصائصها الكيميائية والفيزيائية إلى توفر مجموعة كبيرة من التطبيقات التي تعتمد عليها، حيث تُستخدم هذه المذيبات على سبيل المثال بنسبة تصل إلى 90% في العمليات المتبعة في قطاع صناعة الأدوية. لذلك، تتطلب إعادة استخدام هذه المذيبات كمًا كبيرًا من الطاقة.

يمكن لتقنيات التنقية النانوية للمذيبات باستخدام الأغشية العضوية أن توفر ما نسبته 90% من الطاقة اللازمة، وذلك وفقًا لما توصل إليه الفريق البحثي في مركز الأغشية وتكنولوجيا المياه المتقدمة في جامعة خليفة.

طور الفريق البحثي، والذي ضم كلًا من الدكتور شادي حسن، أستاذ مشارك ومدير مركز الأغشية وتكنولوجيا المياه المتقدمة والأستاذ الدكتور  فوزي بنات من قسم الهندسة الكيميائية والمهندس البحثي يزن إبراهيم والدكتور سايريل أبوري والدكتور باراشورام كالم، زميل دكتوراه ومريم عودة، طالبة في برنامج الدكتوراه والدكتورة هناء حجاب، زميلة دكتوراه، الجيل القادم من الأغشية ثنائية الأبعاد المبتكرة باستخدام الغرافين المسامي لتنقية المذيبات. ونشر الفريق نتائج المشروع البحثي في المجلة الدولية "كيميكال إنجنييرنغ جيرنال" المتخصصة بجميع جوانب الهندسة الكيميائية والتي تشمل التحفيز والمواد المتقدمة والهندسة الكيميائية البيئية وغيرها.

من جانبه، قال الدكتور شادي: "يمكن لعملية التنقية النانوية باستخدام الأغشية أن تساهم في توفير ما تصل نسبته إلى 90% من الطاقة مقارنة بتقنيات التبخير  والتقطير الشائعة. وتعتبر المادة اللازمة لصناعة هذا النوع من الأغشية في غاية الأهمية ويجب أن تتوفر فيها مجموعة من الخصائص التي تشمل الفعالية العالية والمحافظة على استقرارها لفترات طويلة عند استخدامها مع المذيبات العضوية الصعبة خلال عمليات الفصل، كما يجب أن تتمتع بسعة دقيقة على النطاق النانوي".

وفي هذا الإطار، استعان الفريق البحثي بالغرافين المسامي وجسيمات ثاني أكسيد السيليكون النانوية لتطوير الأغشية. ويعرف الغرافين المسامي أنه شكل من أشكال الغرافين لكن يتميز بوجود المسامات النانوية ويعتمد أداؤه على حجم المسام وكثافته وشكله. فعندما يكون حجم المسامات وشكلها مثاليًا، عزز ذلك من الخصائص الحرارية والميكانيكية والكهربائية، كما يساهم شكل المسامات في عمليات امتصاص الجزيئات والتقاطها.

وأَضاف الدكتور شادي: "تُستخدم أغشية الغرافين بشكل واسع النطاق في معالجة المياه وفي مجال عمليات التنقية النانوية للمذيبات العضوية نتيجة سعتها الفريدة من نوعها. ومن جهة أخرى، توفر الأغشية النقية دون أية إضافات كيميائية خاصية نفاذية منخفضة بالنسبة للمذيبات العضوية، لذلك يمكن إنتاج الغرافين المسامي بمسام نانوي بهدف تحسين النفاذية مع المحافظة على فعالية الأغشية لتلائم مختلف التطبيقات".

وتتميز الأغشية الحيوية بانتقائية عالية للأيونات والجزيئات الصغيرة نظرًا للقنوات النانوية متعددة الوظائف التي تمتلكها داخل خلاياها، ويطلق على هذه القنوات النانوية اسم القنوات البروتينية المائية التي تعتبر جزءًا رئيسًا من الأغشية الحيوية اللازمة لتعزيز نفاذية المياه.

وساهمت الخصائص المتميزة للقنوات البروتينية المائية  في ابتكار جيل جديد من الأغشية عالية الفعالية، حيث تمتلك الجزيئات البروتينية في القنوات المائية منطقة  مائية تضمن توفير نفاذية عالية للمياه وتساهم في تعزيز انتقاء الأيونات.

وصمم الباحثون من مركز الأغشية وتكنولوجيا المياه المتقدمة في جامعة خليفة استراتيجية جديدة لصناعة أغشية متعددة الوظائف ومشابهة للقنوات البروتينية المائية بهدف إجراء عمليات تنقية نانوية عضوية وفعالة للمذيبات، كما أكد الفريق على أنه نتج عن التفاعلات بين مجموعات ثاني أكسيد السيليكون والغرافين المسامي ابتكار فريد من نوعه يتمثل بنموذج نانوي ثنائي الأبعاد يوفر نفاذية عالية ويحظى بانتقائية متميزة للجزيئات.

يذكر أنه قد يتيح تصميم هذا النوع من الأغشية إمكانية كبيرة لتحسين عمليات التنقية العضوية النانوية للمذيبات في صناعات الغذاء والدواء وغيرها من تطبيقات الفصل الصناعية.