الاستدامة
جعل حصد المياه الجوية أكثر كفاءة هو المفتاح في المناطق القاحلة
ماء نقي من الهواء الرقيق
في العديد من مناطق العالم، يأتي الماء العذب باهظ الثمن. أحد الخيارات للوصول إليه قد يكون تحلية المياه، ولكن هذا النهج ما زال يتطلب الكثير من الطاقة، حتى لو كان بعض التقدم في التكنولوجيا الشمسية قد جعلها أقرب إلى الواقع مؤخرًا. كما أن تحلية مياه البحر ليست خيارًا للعديد من المناطق القاحلة في الداخل، مثل آسيا الوسطى ومنغوليا وجبال تشيلي أو معظم صحراء الصحراء.
خيار آخر هو التقاط الماء الموجود في الهواء. في الواقع، تتمتع العديد من الصحاري برطوبة جوية عالية، لكنها لا تتكون بسبب الأسباب المناخية، ولا تتشكل الأمطار والسحب. هذا هو الوعد بحصد المياه الجوية. لقد غطينا في السابق كيف يمكن أن يزيد التبريد السلبي مع الطلاء السيليكوني من كفاءة حصد المياه القائم على الجاذبية.
الآن، يبحث الباحثون في تحسين هذه الطريقة، ولا سيما من خلال استخدام أنواع جديدة من البوليمرات. قام علماء من جامعة أوساكا الحضرية بهذا البحث، الذي نُشر في مجلة ACS ES&T Water تحت عنوان “حاصد الماء السائل القائم على البولي إيثير للعمل عند درجة حرارة قريبة من درجة الحرارة المحيطة من خلال نقل الماء المستحث بالفرق في الهيدروفيلية1“.
امتصاص الماء
طريقة لحصاد الماء من الهواء الرقيق هي استخدام بوليمر يمكنه “امتصاص” الماء. الامتصاص هو القدرة التي تمتلكها المواد الصلبة على جذب جزيئات الغازات أو المحاليل التي تكون على اتصال مع أسطحها – في هذه الحالة، بخار الماء الغازي وقطرات الماء المعلقة في الهواء.
في الحياة اليومية، نعرف مواداً ممتصة مثل جيل السيليكا في التعبئة التجارية. في الواقع، هذا عملية كفءة جداً، ويمكنها جمع الكثير من الماء المحيط.
مصدر: جامعة أوساكا الحضرية
المشكلة هي جعل البوليمر يطلق ذلك الماء. عادة، تكون الحرارة حول 100 درجة مئوية ضرورية لتفكيك هذه البوليمرات، مما يجعله غير كفء من حيث الطاقة ومكلف. في المقابل، البوليمر الجديد الذي تم تطويره في أوساكا مختلف.
تفكيك الماء عند درجة حرارة منخفضة
المشكلة في إطلاق الماء من البوليمر هي أن الخاصيات التي تجعل البوليمر جيدًا في الامتصاص هي أيضًا ما يجعلها سيئة في إطلاقها، ومن هنا الحاجة إلى حرارة عالية لجعل ذلك يحدث.
من قبل، حاول الباحثون مزج بولي (إيثيلين غليكول) (PEG) واوليغومير بولي (بروبيلين غليكول) (PPG)، مما أدى إلى خلق آلية “نقل الماء المستحث بالفرق في الهيدروفيلية (HWT)”.
بمعنى أрощ، خلق الفرق في امتصاص الماء بين النوعين من البوليمرات قدرة أضعف على الاحتفاظ بالماء الممتسح. هذا سمح بإنشاء مادة ماصة للرطوبة السائلة تتطلب فقط درجة حرارة حول 35 درجة مئوية / 95 درجة فهرنهايت لفعل ذلك.
然而، هذا حد من قدرة الخلطة على امتصاص الماء، مما يجعلها أقل إنتاجية حتى لو كانت أقل استهلاكا للطاقة.
PEG-PPG كوبوليمر
في التجربة الأخيرة، حاول الباحثون مزج كوبوليمر PEG-PPG مع PEG.
مصدر: نشر ACS
هذا الخلط زاد من تأثير HWT بشكل أكبر، مما أدى إلى أفضل نتيجة ممكنة:
- حفظ درجة الحرارة المنخفضة للتعافي
- كان معدل حصاد الماء أعلى من PEG وحده، الذي كان عادة العنصر الذي يمتص الماء بشكل أفضل.
أظهر الكوبوليمر العشوائي PEG-PPG أعلى معدل لحصاد الماء، أعلى من PEG. نشأت التحسينات في استعادة الماء من التأثير التآزري لآلية HWT وانهيار تجمعات الماء.
التطبيقات
درجة الحرارة المنخفضة المطلوبة لجمع الماء وتجديد البوليمر تغير بشكل جذري إمكانيات هذه التكنولوجيا. أولاً، إنه يزيل الحاجة إلى درجات حرارة عالية استهلاكية للطاقة، مما يحسن بشكل كبير من معايير الموثوقية البيئية للفكرة.
“من المتوقع أن تؤدي التحسينات في هذه التكنولوجيا إلى خفض انبعاثات الغازات الدفيئة واستخدام أكثر كفاءة للموارد المائية. من الآن فصاعدًا، سنهدف إلى تحسين مادة ماصة الرطوبة السائلة وزيادة كفاءة النظام بأكمله لجعلها عملية.”
ثانيًا، لأن 35 درجة مئوية / 95 درجة فهرنهايت أسهل في الحصول عليها، يمكن创ها ببساطة من خلال استغلال دورة اليوم والليل، خاصة في المناطق الصحراوية حيث اليوم حار، مثل معظم الصحارات حول المنطقة الاستوائية (الصحراء، الشرق الأوسط، الهند، المكسيك وجنوب غرب الولايات المتحدة، إلخ.).
المناطق الأبرد مثل منغوليا قد تكون أكثر صعوبة، ولكن ربما يمكن أن يساعد مرآة معدنية بسيطة في الوصول إلى عتبة 35 درجة مئوية عند وجود شمس. هذا يفتح الطريق لنظام متكامل تمامًا، يولد الماء تلقائيًا بقليل من الجهد.
يمكن أن يتم نشر نفس التكنولوجيا بسرعة في المناطق التي تحتاج بشكل عاجل إلى مياه نظيفة.
“تتمتع هذه التكنولوجيا بال潜عة لتطبيقها ليس فقط على إمدادات المياه في المناطق القاحلة والأماكن التي تفتقر إلى الموارد الطاقوية، ولكن أيضًا على ضمان الوصول إلى المياه في أوقات الكوارث والطوارئ.”
يمكن أن يتم بناء المزيد من التطوير على هذا البحث. على سبيل المثال، لا يثبت أن مزيج البوليمر الذي تم اكتشافه هنا هو المزيج الأمثل.
في النظرية، يمكن أن تقوم العديد من المزجانات الأخرى من البوليمرات الهيدروفيلية والبوليمرات الهيدروفيلية بشكل أقل بذلك. لذلك، الآن بعد أن تم إثبات المبدأ، يمكن أن تساعد استكشاف منهجية لمواد ماصة جديدة لتحسين العائد بشكل أكبر، وجعل التقنية أقرب إلى الجدوى التجارية.
شركة لحل ندرة المياه
Xylem Inc.
إلى جانب شركة فيوليا الأوروبية، تُعتبر Xylem رائدة عالمية في تحلية المياه وتنقية مياه الصرف الصحي وتبخير المياه. وتوظف أكثر من 23,000 شخص (منهم 6,000 مهندس) وتعمل في 150 دولة، مع التركيز على الولايات المتحدة، مع أكثر من 35,000 عميل صناعي مباشر.
(XYL )
سوقها الرئيسي هو مياه الشرب ومياه الصرف الصحي البلدية، ولكنها توفر أيضًا حلولاً مخصصة لقطاعات أخرى مثل الرعاية الصحية والطاقة والغذاء والمشروبات والنفط والغاز والالكترونيات الدقيقة، إلخ.
مصدر: Xylem
يمكن لـ Xylem توفير القطع الأهم من المعدات المملوكة لتنقية أو إنتاج المياه مثل مولدات الأوزون وملحقات الأشعة فوق البنفسجية وأغشية التبخير ومولدات المياه الفائقة النقاء، إلخ. ولكنها توفر أيضًا معدات “أبسط” مهمة بنفس القدر لعمليات المياه مثل التوربينات والضخات والأنابيب والحقن والبرمجيات، إلخ، بالإضافة إلى خدمات الصيانة والإصلاح والتركيب.
مصدر: Xylem
سوق المياه لا يزال سوقًا منقسمًا، حيث تُعتبر Xylem واحدة من أكبر الشركات في هذا القطاع، ولكنها لا تزال تملك “فقط” حصة سوقية بنسبة 10٪ من سوقها الموجه البالغ 80 مليار دولار.
تُنفق الشركة حوالي 4٪ من مبيعاتها على البحث والتطوير. ومن المتوقع أن تستفيد من اللوائح الجديدة المتعلقة بمركبات PFAS (المركبات الفلورية الدائمة، أو المركبات الكيميائية الدائمة)، مع أكثر من 6,000 منشأة خدمية تحتاج إلى معالجة PFAS.
لقد نمت شركة Xylem بشكل مستمر، مع نمو صافي الدخل من 297 مليون دولار في عام 2012 إلى 609 مليون دولار في عام 2023، مع الحفاظ على هامش ربحية ثابث يتراوح بين 17٪ و19٪.
بشكل عام، هذا يجعل ملف الاستثمار للشركة أكثر شبهاً بملف شركة خدمات عامة (تنمو مع الاقتصاد بشكل عام أو بقليل فوق معدل نمو معظم مستخدميها).
مرجع الدراسة:
1. Ikegawa, D., Fukatsu, A., Okada, K., & Takahashi, M. (2024). Liquid polyether-based water harvester for near ambient temperature operation via hydrophilicity-difference-induced water transfer. ACS ES&T Water. https://doi.org/10.1021/acsestwater.4c00775
