علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
New membrane to make fresh water
(Sandia National Laboratories – مقدمة من: مختبرات سانديا الوطنية)
ملخص المقالة:
طور علماء مختبرات سانديا الوطنية والمتعاونون معهم غشاءًا جديدًا، مستوحى هيكله من بروتين من الطحالب، لغسيل الكلى الكهربائي الذي يمكن استخدامه لتوفير المياه العذبة للزراعة وإنتاج الطاقة. وقد وجدوا أن إضافة حمض أميني شائع، يسمى فينيل ألانين، الى غشاء غسيل الكلى الكهربائي مكنه من التقاط وإزالة الأيونات الموجبة بشكل أفضل، مثل الصوديوم، وتطَلَّبَ طاقةً أقل.
المقالة
طور العلماء في مختبرات سانديا الوطنية والمتعاونون معهم غشاءًا جديدًا، مستوحى هيكله من بروتين من الطحالب، لغسيل الكلى الكهربائي [١] الذي يمكن استخدامه لتوفير المياه العذبة للزراعة وإنتاج الطاقة. وشارك الفريق تصميم الغشاء الخاص بهم في ورقة علمية نُشرت مؤخرًا في المجلة العلمية “المادة الناعمة” (Soft Matter).
ويستخدم غسيل الكلى الكهربائي الطاقة الكهربائية لإزالة الأملاح الذائبة من الماء. ويتم استخدامه حاليًا لالتقاط الملح من مياه البحر لإنتاج ملح الطعام وإزالة الملح من المياه قليلة الملوحة لصنع مياه عذبة، ولكن يمكن أيضًا استخدامه لإزالة الملح من مياه الصرف الصحي لتوفير مصدر جديد للمياه العذبة. وقد وجد الباحثون أن إضافة حمض أميني شائع، يسمى فينيل ألانين (phenylalanine)، الى غشاء غسيل الكلى الكهربائي مكنه من التقاط وإزالة الأيونات الموجبة بشكل أفضل، مثل الصوديوم.
قالت سوزان ريمبي، مهندسة البيولوجية القائدة في المشروع: “أدت إضافة فينيل ألانين إلى غشاء غسيل الكلى الكهربائي إلى زيادة انتقائية الأيونات الموجبة بكمية كبيرة، مما أثار دهشتنا السارة”. وأضافت إن ضمان الإمداد الكافي بالمياه العذبة يمثل مشكلة أمن قومي. فالمياه العذبة ضرورية لكل شيء من الشرب والزراعة إلى إنتاج الطاقة من محطات الطاقة النووية والفحم والغاز الطبيعي.
مياه نظيفة مع كهرباء أقل
حاليًا، تُستخدم طريقة تسمى التناضح العكسي تجاريًا لإزالة الملح من مياه البحر أو المياه قليلة الملوحة لإنتاج المياه العذبة، ولكن لها العديد من القيود. وأحد القيود هو الحاجة إلى ضغط مرتفع لدفع المياه العذبة خارج محلول ملحي بشكل متزايد. والقوة الدافعة لارتفاع الضغط مكلفة، وتؤدي الى انسداد الغشاء او تلوثه بواسطة مواد غير مذابة في الماء بسهولة.
وكلما زاد تركيز المحلول الملحي، زادت المشكلة. ونتيجة لذلك، هناك خيارات قليلة لتنظيف مياه الصرف المالحة. فعلى سبيل المثال، يتم دفن (ضخ) المياه الناتجة عن التكسير الهيدروليكي لاستخلاص الغاز الطبيعي، والتي يمكن أن تكون مالحة عشر مرات مثل مياه البحر، بشكل عام تحت الأرض بدلاً من إعادتها إلى البيئة.
ويعتبر الصوديوم والكلوريد أكثر الأيونات شيوعًا في مياه البحر وملح الطعام. وبالطبع، هناك مجموعة متنوعة من الأيونات الموجبة والسالبة الشحنة في مياه البحر ومياه الصرف أيضًا.
ويعد غسيل الكلى الكهربي طريقة أفضل من التناضح العكسي لأنه يستخدم التيار الكهربائي لسحب أيونات الملح، تاركًا وراءه المياه العذبة. وقالت ريمبي إن هذا يتطلب طاقة أقل ويجعل الغشاء أقل عرضة للانسداد. ويحتاج غسيل الكلى الكهربائي إلى زوج من الأغشية لإنتاج الماء العذب، أحدهما يلتقط الأيونات الموجبة الشحنة، مثل الصوديوم، والآخر يلتقط الأيونات السالبة الشحنة، مثل الكلوريد.
نتطلع إلى علم الأحياء للإلهام
سعت ريمبي وفريقها إلى الإلهام من علم الأحياء في شكل بروتين معين ينقل الأيونات يسمى تشانيل رودوبسين (channelrhodopsin)، ويأتي في الأصل من الطحالب ويستخدم بشكل شائع في علم البصريات الوراثي – وهي تقنية استهدف فيها علماء الأحياء التحكم في خلايا حية معينة باستخدام الضوء.
ويسمح بروتين النقل الأيوني هذا بالعديد من الأيونات الموجبة الشحنة المختلفة، بما في ذلك أيونات الصوديوم وأيونات البوتاسيوم وأيونات الكالسيوم والبروتونات، ولكن بدون أيونات سالبة الشحنة. وهذا النوع من الانتقائية مهم لغشاء غسيل الكلى الكهربائي.
ورأت ريمبي والباحث السابق لما بعد الدكتوراه، تشاد بريست، أن هناك نوعًا معينًا من الأحماض الأمينية، يُدعى فينيل ألانين – أحد اللبنات العشرين التي تُصنع منها البروتينات – على طول مسار النقل الأيوني للبروتين. وقالت: “لقد عملنا على بروتين تشانيل رودوبسين لفترة طويلة، في محاولة لفهم خصائصه وكيف يكون انتقائيًا لأيونات معينة. لقد لاحظنا عدة سلاسل جانبية من الفينيل ألانين تبطن مسار النقل الأيوني الخاص به وتساءلنا ما الذي تفعله فينيل ألانين هناك؟ عادة ما نفكر في فينيل ألانين كجزيء يصد الماء والأيونات في بروتينات النقل الحيوي”.
وأظهرت حسابات ريمبي وبريست الحاسوبية أن سلسلة فينيل الجانبية للفينيل ألانين تشكل مكونًا من عدة مواقع ربط على طول مسار النقل لبروتين تشانيل رودوبسين. وأظهرت حساباتهم أن مواقع ارتباط الفينيل ألانين هذه تفاعلت مع أيونات الصوديوم بدرجة كافية بحيث تكون الأيونات الموجبة مستقرة، ولكنها ليست مستقرة لدرجة أنها ستتوقف عن الحركة عبر القناة.
بناء طبقة تلو طبقة
تحدثت ريمبي مع ستيفن بيرسيفال وليو سمول وإريك سبويرك، علماء المواد في سانديا، عن هذه الغرابة الحيوية. واعتقد الفريق أن دمج جزيء فينيل ألانين الصغير في غشاء غسيل الكلى الكهربائي قد يسهل فصل الأيونات موجبة الشحنة عن الماء أثناء غسيل الكلى الكهربائي.
وتشبه عملية صنع غشاء غسيل الكلى الكهربائي إلى حد ما صنع الشموع من الطراز القديم. أولاً، قام بيرسيفال بغمس غشاء دعم مسامي متوفر تجارياً في محلول موجب الشحنة، ثم شطفه من الغشاء، ثم غمسه في محلول سالب الشحنة. وقال بيرسيفال، الذي بدأ العمل في المشروع كباحث ما بعد الدكتوراه، نظرًا لأن المحاليل لها شحنة معاكسة، فيمكنها التجميع الذاتي في طلاء على جانبي الغشاء. وقد فعل ذلك مع وبدون الفينيل ألانين لاختبار كيفية تأثير إضافة الأحماض الأمينية على الغشاء.
وتضيف كل دورة مكونة من محلولين طبقة رقيقة جدًا من الغشاء يمكنها التقاط أيونات موجبة. وبالنسبة لهذا المشروع، صنع بيرسيفال أغشية بسمك خمس أو 10 طبقات ثنائية الغمس. وكان طلاء الغشاء المكون من خمس طبقات مع أو بدون فينيل ألانين أرق بحوالي 50 مرة من شعرة الإنسان. وكان غشاء من 10 طبقات أرق 25 مرة من شعرة الإنسان. وتعتبر سماكة أغشية غسيل الكلى الكهربائي مهمة لأن الأغشية السميكة تتطلب مزيدًا من الكهرباء لسحب الأيونات من خلالها.
وقال بيرسيفال: “وجدنا أنه بمجرد إضافة فينيل ألانين إلى محاليل الغمس، تمكنا من دمجه في غشاء غسيل الكلى الكهربائي النهائي. علاوة على ذلك، تمكنا من زيادة انتقائية الغشاء لأيونات الصوديوم على أيونات الكلوريد، عند مقارنتها بالغشاء القياسي بدون فينيل ألانين”.
وعلى وجه التحديد، وجدوا أن الفيلم المكون من خمس طبقات مع فينيل ألانين له انتقائية مماثلة لتلك الخاصة بالفيلم المكون من 10 طبقات بدون فينيل ألانين، ولكن بدون زيادة المقاومة المرتبطة بالطلاءات السميكة. وقال بيرسيفال إن هذا يعني أن فيلم الفينيل ألانين يمكنه تنقية المياه بشكل فعال مع استخدام قدر أقل من الكهرباء، مما يجعله أكثر كفاءة. ومع ذلك، تم خلط الحمض الأميني للتو في المحلول، لذلك لا يعرف الفريق ما إذا كان يتفاعل مع أيونات الصوديوم الإيجابية بنفس الطريقة تمامًا كما هو الحال في البروتين الحيوي الذي صممته ريمبي.
وقال بيرسيفال: “بين الطبيعة المستوحاة من الطبيعة للمشروع، والعمل مع خبراء من مختلف التخصصات وتوجيه المتدربين الجامعيين، هذه واحدة من أكثر الأوراق البحثية التي أشعر بالفخر بها. كانت النتائج التي توصلت إليها الورقة مهمة جدًا أيضًا. تمكنا من إثبات أنه يمكن زيادة انتقائية الأيونات بشكل مستقل عن مقاومة الغشاء، وهو أمر مفيد للغاية”.
الشراكات والمسارات إلى الأمام
تعاون فريق سانديا أيضًا مع شين ووكر، أستاذ الهندسة المدنية بجامعة تكساس في مدينة إلباسو، لإجراء مزيد من الاختبارات على الغشاء. وقارن ووكر وفريقه غشاء سانديا لغسيل الكلى الكهربائي بالأغشية المتاحة تجاريًا في نظام غسيل الكلى كهربائي معقد على نطاق معمل. لقد درسوا عددًا من العوامل بما في ذلك تقليل الملوحة واستهلاك الكهرباء ونفاذية المياه.
وقالت ريمبي: “قام شركاؤنا في جامعة تكساس في مدينة إلباسو بتحليل غشائنا في نظام غسيل الكلى الكهربائي الحقيقي. لقد وضعوا عينات من الأغشية في نظامهم على نطاق المختبر، وأجروا مجموعة كاملة من الاختبارات وقارنوا غشاءنا بالأغشية التجارية. لقد أبلي غشاءنا بلاء حسنا”.
وجد فريق ووكر أن غشاء سانديا المستوحى بيولوجيًا كان منافسًا لأغشية غسيل الكلى الكهربائي التجارية. وعلى وجه التحديد، كان غشاء سانديا أعلى من المتوسط من حيث كثافة التيار. وكانت نفاذية المياه، المرتبطة بحركة المياه من المياه المالحة إلى المياه العذبة، أعلى من المتوسط. وكان غشاء سانديا أقل بقليل من المتوسط من حيث تقليل الملوحة بعد ساعة من وقت التشغيل واستهلك كهرباء أكثر من معظم أزواج الأغشية الستة التي تم اختبارها.
وقد تم نشر هذه النتائج في ورقة بحثية في المجلة العلمية “الأغشية” (Membranes) في 19 مارس 2021. وفي الورقة، خلص الباحثون إلى أنه في حين أن غشاء سانديا المستوحى بيولوجيًا كان منافسًا للأغشية التجارية، فلا يزال هناك مجالا للتحسين. ونأمل أن تتعلم الشركات من هذا الغشاء المستوحى بيولوجيًا لتحسين كفاءة أغشية غسيل الكلى الكهربائي.
وفي المستقبل، ترغب ريمبي في تصميم غشاء غسيل الكلى الكهربائي يمكنه فصل أيونات معينة ذات قيمة اقتصادية، مثل أيونات المعادن الأرضية النادرة. وتُستخدم المعادن الأرضية النادرة في المحولات الحفازة للسيارات، والمغناطيسات القوية، والبطاريات القابلة لإعادة الشحن، والهواتف المحمولة، ويتم تعدينها في الغالب في الصين.
وقالت ريمبي: “تتمثل الخطوة الطبيعية التالية للمشروع في استخدام علم الأحياء، مرة أخرى، كمصدر إلهام لتصميم غشاء ينقل على وجه التحديد أيونات الأرض النادرة عبر الغشاء. تعد المعادن الأرضية النادرة ذات قيمة، ونقص الإمداد المحلي يمثل مشكلة تتعلق بالأمن القومي. معًا، يعد الاهتمام بإمدادات المياه وإعادة تدوير المعادن الثمينة أمرًا مهمًا للأمن البيئي والتخفيف من حدة المناخ”.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2021-09-membrane-fresh.html
لمزيد من المعلومات:
ستيفن بيرسيفال وآخرون، Bio-inspired incorporation of phenylalanine enhances ionic selectivity in layer-by-layer deposited polyelectrolyte films, Soft Matter (2021). DOI: 10.1039/D1SM00134E AHM
غولام هايدر وآخرون، Evaluation of Electrodialysis Desalination Performance of Novel Bioinspired and Conventional Ion Exchange Membranes with Sodium Chloride Feed Solutions, Membranes (2021). DOI: 10.3390/membranes11030217
الهوامش:
[١] يستخدم غسيل الكلى الكهربائي (ED) لنقل أيونات الملح من محلول واحد عبر أغشية التبادل الأيوني إلى محلول آخر تحت تأثير فرق الجهد الكهربائي المطبق. يتم ذلك في تكوين يسمى خلية غسيل الكلى الكهربائية. تتكون الخلية من حجرة تغذية (تمييع) ومقصورة مركزة (محلول ملحي) مكونة من غشاء تبادل أنيوني وغشاء تبادل كاتيون موضوع بين قطبين كهربائيين. في جميع عمليات غسيل الكلى العملية تقريبا، يتم ترتيب خلايا غسيل الكلى الكهربائية المتعددة في تكوين يسمى مكدس غسيل الكلى الكهربائي، مع أغشية أنيون متناوبة وغشاء تبادل الكاتيون تشكل خلايا غسيل الكلى الكهربائية المتعددة. ويكيبيديا.