تحسين كفاءة جمع المياه من الهواء هو المفتاح في المناطق القاحلة

مياه نظيفة من الهواء الرقيق

في العديد من مناطق العالم، يُعد الماء العذب سلعة ثمينة. قد يكون التحلية خيارًا للحصول عليه، لكن هذا لا يزال نهجًا يستهلك طاقةً كبيرةً حتى الآن، حتى وإن أحرز بعض التقدم في تكنولوجيا الطاقة الشمسية وجعلها أقرب إلى الواقع مؤخرًا. كما أن تحلية مياه البحر ليست خيارًا للعديد من المناطق الجافة الداخلية، مثل وسط آسيا، منغوليا، جبال تشيلي، أو معظم صحراء الصحراء الكبرى.

خيار آخر هو التقاط الماء الموجود في الهواء. في الواقع، تحتوي العديد من الصحاري على رطوبة جوية مرتفعة إلى حد ما، ولكن لأسباب مناخية لا تتشكل فيها الأمطار والغيوم. هذا هو وعد جمع المياه من الجو. لقد غطينا سابقًا كيف يمكن للتبريد السلبي الممزوج بطلاء سيليكون أن يعزز كفاءة جمع المياه القائم على الجاذبية.

يبحث الباحثون الآن عن تحسين الطريقة أكثر، لا سيما باستخدام أنواع جديدة من البوليمرات. أجرى العلماء في جامعة أوساكا المتروبوليتان هذا البحث، والذي نُشر في مجلة ACS ES&T Water تحت عنوان “مجمع ماء قائم على بولي إيثير سائل لتشغيل عند درجات حرارة قريبة من البيئة عبر نقل الماء الناجم عن فرق الكارهية للماء¹.”

امتصاص الماء

طريقة لجمع الماء من الهواء الرقيق هي استخدام بوليمر قادر على “امتصاص” الماء. الامتصاص هو قدرة المواد الصلبة على جذب جزيئات الغازات أو المحاليل التي تتلامس معها على أسطحها – في هذه الحالة، بخارات الماء الغازية وقطرات الماء المعلقة في الهواء.

في الحياة اليومية، نعرف مواد الامتصاص مثل سيليكا جيل في التغليف التجاري. هذه عملية فعّالة إلى حد ما، ويمكنها جمع الكثير من الماء المحيط.

المصدر: Osaka Metropolitan University

المشكلة هي جعل البوليمر يطلق ذلك الماء. عادةً، يتطلب حرارة حوالي 100°C لإزالة الامتصاص من هذه البوليمرات، مما يجعلها غير فعّالة من حيث الطاقة ومكلفة. بالمقابل، البوليمر الجديد المطور في أوساكا مختلف.

إزالة الامتصاص عند درجات حرارة منخفضة

المشكلة في إطلاق الماء من البوليمر هي أن الخصائص التي تجعل البوليمر ممتصًا جيدًا هي نفسها التي تجعله ضعيفًا في تحريره، وبالتالي الحاجة إلى درجة حرارة مرتفعة لتحقيق ذلك.

سابقًا، حاول الباحثون خلط بولي(إيثيلين جليكول) (PEG) و بولي(بروبيلين جليكول) الأوليغومري (PPG)، مما أوجد آلية “نقل الماء الناجم عن فرق الكارهية للماء (HWT)”.

بعبارات أبسط، فرق الامتصاص بين نوعي البوليمرات خلق قدرة أضعف على الاحتفاظ بالماء الممتص. هذا سمح بإنشاء مادة امتصاص رطوبة سائلة تتطلب فقط درجة حرارة حوالي 35°C / 95°F للقيام بذلك.

ومع ذلك، حدّ هذا من قدرة الامتصاص للمزيج، مما جعله أقل إنتاجية رغم أنه كان أقل استهلاكًا للطاقة.

الكو-بوليمر PEG-PPG

في التجربة الأخيرة، حاول الباحثون خلط كو-بوليمر PEG-PPG مع PEG بدلاً من ذلك.

المصدر: ACS Publication

هذا الخليط عزّز تأثير HWT أكثر، مما أدى إلى أفضل نتيجة ممكنة:

• تم الحفاظ على درجة الحرارة المنخفضة للاسترداد
• كانت معدل جمع الماء أعلى فعليًا من PEG وحده، والذي كان عادةً العنصر الأكثر امتصاصًا للماء.

أظهر الكو-بوليمر العشوائي PEG-PPG أعلى معدل جمع للماء، متجاوزًا معدل PEG. جاء تحسين استرداد الماء من التأثير التآزري لـ HWT وانهيار عناقيد الماء.

التطبيقات

درجة الحرارة المنخفضة المطلوبة لجمع الماء وتجديد البوليمر تغير جذريًا إمكانات هذه التقنية. أولاً، تُزيل الحاجة إلى درجات حرارة مرتفعة مستهلكة للطاقة، مما يحسّن بشكل جذري من صفة التقنية الخضراء.

“من المتوقع أن تؤدي التحسينات في هذه التقنية إلى تقليل انبعاثات الغازات الدفيئة واستخدام أكثر كفاءة لموارد المياه. من الآن فصاعدًا، سنسعى لتحسين مادة امتصاص الرطوبة السائلة وزيادة كفاءة النظام بأكمله لجعله عمليًا.” ماساهيد تاكاهشي – أستاذ في جامعة أوساكا المتروبوليتان

ثانيًا، نظرًا لأن 35°C / 95°F أسهل كثيرًا في الحصول عليها، يمكن تحقيقها ببساطة عبر الاستفادة من دورة الليل والنهار، خاصةً في المناطق الصحراوية حيث يكون النهار حارًا، مثل معظم الصحاري حول المنطقة الاستوائية (الصحراء الكبرى، الشرق الأوسط، الهند، المكسيك وجنوب غرب الولايات المتحدة، إلخ).

قد تكون المناطق الباردة مثل منغوليا أكثر صعوبة، لكن ربما يمكن لمرآة بسيطة من ورق معدني أن تساعد في الوصول إلى عتبة 35°C عندما تكون الشمس ساطعة. يفتح هذا الطريق لنظام سلبي تمامًا، يولد الماء تلقائيًا بجهد قليل جدًا.

يمكن أيضًا نشر هذه التقنية بسرعة في المناطق التي تحتاج إلى ماء نظيف بشكل عاجل.

“هذه التقنية لديها القدرة على أن تُطبق ليس فقط في إمداد المياه في المناطق القاحلة والأماكن ذات الموارد الطاقية المحدودة، بل أيضًا لضمان الوصول إلى الماء في أوقات الكوارث والطوارئ.” أريسا فوكاتسو – أستاذ مساعد في جامعة أوساكا المتروبوليتان

يمكن أيضًا بناء تطوير إضافي على هذا البحث. على سبيل المثال، لا شيء يثبت أن مزيج البوليمرات المكتشف هنا هو التركيبة المثلى.

نظريًا، يمكن للعديد من الخلطات الأخرى من البوليمرات الكارهية للماء والقليلًا أقل كارهية للماء أن تؤدي المهمة. الآن بعد إثبات المبدأ، قد تساعد الاستكشاف المنهجي للمواد الجديدة الممتصة للماء على تحسين العائد أكثر، مما يقرب التقنية من الجدوى التجارية.

شركة تحل نقص المياه

Xylem Inc.

بالاشتراك مع الشركة الأوروبية Veolia، تُعد Xylem رائدة عالميًا في تنقية المياه، معالجة مياه الصرف، والتحلية. توظّف أكثر من 23,000 شخص (منهم أكثر من 6,000 مهندس) وتعمل في 150 دولة، مع تركيز على الولايات المتحدة، وتخدم أكثر من 35,000 عميل صناعي مباشر.

سوقها الرئيسي هو مياه الشرب والصرف الصحي البلدي، لكنها تقدم أيضًا حلولًا مخصصة لقطاعات أخرى مثل الرعاية الصحية، الطاقة، الأغذية والمشروبات، النفط والغاز، الميكروإلكترونيات، إلخ.

المصدر: Xylem

يمكن لـ Xylem توفير القطع المملوكة للبراءة الحيوية لتنظيف أو إنتاج الماء مثل مولدات الأوزون، مصابيح الأشعة فوق البنفسجية، أغشية التحلية، مولدات الماء الفائق النقاء، إلخ. لكنها أيضًا توفر معدات “أبسط” حيوية للعمليات المتعلقة بالمياه مثل التوربينات، المضخات، الأنابيب، الحقن، البرمجيات، إلخ، بالإضافة إلى خدمات الصيانة والإصلاح والتركيب.

المصدر: Xylem

سوق المياه لا يزال شديد التجزئة، وتُعد Xylem واحدة من أكبر الشركات في القطاع لكنها لا تملك سوى حصة سوقية “بنسبة” 10% من سوقها القابل للخدمة الذي يبلغ قيمته 80 مليار دولار.

تنفق الشركة حوالي 4% من مبيعاتها على البحث والتطوير. من المتوقع أن تستفيد من اللوائح الجديدة المتعلقة بـ PFAS (المواد البير- و البولي فلورو ألكيل)، أو ما يُعرف بالمواد الكيميائية الدائمة)، حيث تحتاج أكثر من 6,000 مرفق مرافق إلى معالجة PFAS.

نمت Xylem بشكل ثابت، حيث ارتفع صافي الدخل من 297 مليون دولار في 2012 إلى 609 مليون دولار في 2023 مع الحفاظ على هامش EBITDA ثابت يتراوح بين 17-219%.

بشكل عام، يجعل هذا ملف استثمار الشركة أقرب إلى ملف شركة مرافق (تنمو مع الاقتصاد العام أو بمعدل أعلى قليلاً)، وليس كملف شركة صناعية (غالبًا دورية)، مثل معظم مستهلكيها.

مرجع الدراسة:

^{1. Ikegawa, D., Fukatsu, A., Okada, K., & Takahashi, M. (2024). مجمع ماء قائم على بولي إيثير سائل لتشغيل عند درجات حرارة قريبة من البيئة عبر نقل الماء الناجم عن فرق الكارهية للماء. ACS ES&T Water. https://doi.org/10.1021/acsestwater.4c00775}