تصفیه آب با یک هیدروژل انقلابی

مهندسان شیمی در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) با استفاده از مواد زوئیتریونی (zwitterionic) یک سیستم هیدروژل برای تصفیه کارآمد آب تنها در یک مرحله، با حداقل تاثیر بر محیط زیست توسعه داده‌اند.

به گزارش ایسنا، ریزآلاینده‌ها ذرات ریزی مانند آفت‌کش‌ها، فلزات سنگین و مواد شیمیایی مصنوعی هستند که می‌توانند به سلامت انسان و محیط زیست آسیب بزنند. همچنین جدا کردن آن‌ها از آب سخت است، زیرا متنوع، ماندگار و اغلب در غلظت‌های پایین یافت می‌شوند.

ریزآلاینده‌ها در سال‌های اخیر بیش از پیش به یک نگرانی تبدیل شده‌اند، زیرا با مشکلات مختلف بهداشتی و مسائل زیست‌محیطی مرتبط دانسته شده‌اند. به عنوان مثال PFAS به عنوان «مواد شیمیایی همیشگی» شناخته می‌شود، زیرا آن‌ها به راحتی در محیط تجزیه نمی‌شوند و می‌توانند موجب سرطان، اختلالات هورمونی و اختلالات سیستم ایمنی شوند.

تری‌کلرواتیلن (Trichloroethylene) یکی دیگر از مواد شیمیایی سرطان‌زاست که در برخی محصولات مصرفی یافت می‌شود. سرب نیز یک فلز سمی است که بر مغز، سیستم عصبی و فشار خون تأثیر می‌گذارد.

برای حفاظت از ایمنی منابع آبی ما، مقررات مختلفی برای محدود کردن حضور ریزآلاینده‌ها در آب پیشنهاد یا اجرا شده است. با این حال، این مقررات همچنین فرآیند‌های تصفیه آب موجود را به چالش می‌کشد که باید برای مدیریت چنین طیف وسیعی از آلاینده‌ها طراحی شود.

راه حل فعلی: کربن فعال

ریزآلاینده‌های موجود در آب را می‌توان با استفاده از کربن فعال، ماده متخلخلی که می‌تواند این آلاینده‌ها را روی سطح خود جذب کند، تصفیه کرد. با این حال، استفاده از کربن فعال چندین اشکال دارد.

به عنوان مثال، ساخت کربن فعال به دما‌های بالا و امکانات وسیع نیاز دارد که انرژی زیادی مصرف می‌کنند و گاز‌های گلخانه‌ای منتشر می‌کند. علاوه بر این، کربن فعال ظرفیت و گزینش‌پذیری محدودی دارد، به این معنی که نمی‌تواند همه ریزآلاینده‌ها را حذف کند و همچنین ممکن است مواد مفید را نیز حذف کند.

علاوه بر این، استفاده از کربن فعال به زمان تماس طولانی‌تری با آب نیاز دارد، به این معنی که برای کار به فضا و تجهیزات بیشتری نیاز دارد و آن را غیر قابل مقیاس‌پذیر می‌کند. در نهایت، کربن فعال با ریزآلاینده‌ها آلوده می‌شود و باید به عنوان زباله خطرناک دفع شود که می‌تواند به محیط زیست بازگردد و آن را ناپایدار کند.

راه حل جدید: هیدروژل‌های زوئیتریونی

پروفسور پاتریک دویل و گروه مهندسی شیمی MIT راه حل جدیدی برای حذف ریزآلاینده‌ها از آب با استفاده از مواد زوئیتریونیک ابداع کرده‌اند.

مواد زوئیتریونی مولکول‌هایی با بار‌های مثبت و منفی درست مانند آهنربا‌ها هستند، که دارای قطب شمال و جنوب هستند.

پژوهشگران هیدروژل‌های زوئیتریونی، مواد نرم و اسفنجی شکلی ساخته‌اند که می‌توانند آب زیادی را جذب کنند. این اسم از کلمه آلمانی zwitter گرفته شده است که به معنای هیبرید یا ترکیب است.

مواد زوئیتریونی پایه و اساس هیدروژل‌ها را تشکیل می‌دهند و شبکه‌ای از منافذ را ایجاد می‌کنند که می‌توانند ریزآلاینده‌ها را جذب کنند. استفاده از هیدروژل‌ها آسان است و می‌توان آن‌ها را برای انواع مختلف منابع آب مانند آب لوله کشی، فاضلاب و آب دریا استفاده کرد.

هیدروژل‌های زوئیتریونی در مقایسه با کربن فعال مزایای متعددی دارند. این هیدروژل‌ها از نظر مصرف انرژی کارآمد هستند، زیرا برای تولید آن‌ها به دمای بالا یا امکانات زیاد نیاز نیست که منجر به مصرف انرژی کمتر و انتشار گاز‌های آلاینده کمتری می‌شود.

علاوه بر این، هیدروژل‌های زوئیتریونی به دلیل ظرفیت و گزینش‌پذیری بالا، در حذف ریزآلاینده‌ها از آب بسیار موثر هستند. همچنین این هیدروژل‌ها به زمان تماس کوتاهی با آب نیاز دارند که آن‌ها را مقیاس‌پذیر می‌کند و به فضا و تجهیزات کمتری برای کار کردن نیاز دارد.

در نهایت، هیدروژل‌های زوئیتریونی پایدار هستند، زیرا می‌توان آن‌ها را بازسازی کرد و دوباره مورد استفاده قرار داد، در نتیجه تولید زباله‌های خطرناک را کاهش می‌دهد و از انتشار ریزآلاینده‌ها به محیط زیست جلوگیری می‌کند.

پژوهشگران یافته‌های خود را در مجله Nature Water منتشر کرده‌اند که اثربخشی هیدروژل‌های زوئیتریونی را در حذف ریزآلاینده‌های مختلف از آب نشان می‌دهد.

پژوهشگران هم‌اکنون در حال کار بر روی تجاری‌سازی این فناوری هستند.

تاثیر بالقوه

هیدروژل‌های زوئیتریونی راه‌حلی امیدوارکننده برای مشکل ریزآلاینده‌ها در آب با ارائه روشی ساده و موثر برای حذف آن‌ها ارائه می‌کنند. این فناوری می‌تواند تأثیر مثبتی بر سلامت و رفاه میلیون‌ها نفر و همچنین پایداری و انعطاف پذیری سیستم‌های آب و غذا داشته باشد.

پژوهشگران امیدوارند فناوری آن‌ها به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد و در محیط‌های مختلف مانند خانه‌ها، مدارس، بیمارستان‌ها، کارخانه‌ها و مزارع استفاده شود. آن‌ها همچنین امیدوارند که فناوری آن‌ها الهام‌بخش نوآوری و همکاری بیشتر در زمینه تصفیه آب باشد و در نهایت به جهانی پاک‌تر و ایمن‌تر کمک کند.