Table of Contents
مقدمة: أزمة المياه العالمية والوعد الذي قطعته نانشنولوجيا
ولا تزال إمكانية الحصول على مياه الشرب النظيفة والمأمونة تشكل أحد أكثر التحديات إلحاحا في القرن الحادي والعشرين، ووفقا لمنظمة الصحة العالمية، فإن بلايين الناس في جميع أنحاء العالم يفتقرون إلى خدمات مياه الشرب المأمونة، والأمراض المنقولة بالمياه ما زالت تتسبب في وفاة الملايين من الأشخاص الذين يمكن الوقاية منهم كل عام، كما أن أساليب تذويب المياه التقليدية - مثل تذبذب الرمال، والكلور، وعكس التحلل - قد أثبتت فعاليتها في كثير من السياقات.
فهم غرافين: الهيكل والرخاء، ولماذا يهم في مجال إنتاج المياه
ما هو (غرافين)؟
(ج) إن مادة " غرافين " هي طبقة ذرية واحدة من ذرات الكربون التي تم ترتيبها في إطار مركبين منعزلين، وهي لبنة أساسية من أنواع أخرى من الكربون مثل الجايت، ونوابيب الكربون، والأورام، ومنذ عزلتها في عام 2004 من قبل أندري غيم وكونستانتين نوفوسيلوف (عملاً حقق لها حداً أدنى من الجائزة في مادة الفيزياء المدروسية في عام 2010).
أهم الممارسات المتعلقة بإخلاء المياه
(ب) بالنسبة لتطبيقات التحلل المائي، فإن العديد من خصائص الأشعة المميتة هي خصائص مفيدة بشكل خاص. [يمثلها] [مضاد الأشعة المفلورة]
مواد غجرية - قاعدة بيانات عن وسائط الإعلام التقليدية
وتعاني تكنولوجيات توليد المياه التقليدية من قيود، إذ تستخدم الكربون المنشط على نطاق واسع لاستيعاب بعض الملوثات العضوية غير العضوية القابلة للذوبان ويمكن أن تصبح مسدَّدة بسرعة نسبياً، وتُعرض أجهزة الإغراق المحتوية على التحلل الرئوي الرئوي الرفض العالي للأملاح المذوبة، ولكنها تتطلب طاقة كبيرة للحفاظ على الضغط التشغيلي وتُعرض بشكل فعال لملوثات الغلاف الجوي.
القابلية للتأثر بالعدوى والانتقائية
ومن بين مزايا حمض الغرافيني التي كثيرا ما يشار إليها، إمكانية ارتفاع درجة حرارة المياه إلى حد بعيد، مع الحفاظ على الرفض الممتاز للملوثات، وقد أظهرت الحسابات النظرية والقياسات التجريبية أن أحد أحادي الغرافيين البكر يمكن أن يسمح لجزيئات المياه بأن تمر بحجم ضئيل نظراً إلى أن سطح الماء السلس الذري وتشكيل طبقات المياه المطلوبة.
منطقة الوصل ذات الصلصة العالية
(ب) إن نظم التليف بواسطة الأشعة السينية (GeF) قادرة على إزالة طائفة واسعة من الملوثات، وغالباً ما تكون في ممر واحد، وتشمل هذه المواد الفلزات الخافضة مثل الرصاص والزئبق والكادميوم والثديثات التي يصعب التخلص منها بصورة ملحوظة باستخدام الأساليب التقليدية.
العمر والخدمة الطويلة
فالكثير من أجهزة الإغراق المتعددة الزمان تتحلل بمرور الوقت بسبب الهجوم الكيميائي أو الإجهاد الأكسدي أو التآكل الأحيائي، مما يتطلب استبدالاً متكرراً وزيادة تكاليف التشغيل، إذ أن غرافين، الذي يتألف من سندات ثابتة من الكربون الكربون، يُظهر مقاومة ملحوظة للتدهور الكيميائي، حتى في بيئات عدوانية مثل المياه الحمضية العالية أو المياه الكالسلية، وهذا التخلف الكيميائي، بالإضافة إلى قوة ميكانيكية العالية، يعني إضافة إلى ذلك
تشييد الثين والوزن الخفيف
ونظرا لأن الغرافيين هو مجرد جهاز سميك ذرة واحد، فإن أجهزة التصفية التي تضم الغرافيني يمكن أن تكون أرق وأخف بكثير من تلك التي تستخدم المواد التقليدية، ولا يمكن أن يكون ميمر أكسيد الغرافيين سوى بضع مئات من النانومترات سميكة، ومع ذلك تحقق نفس الأداء أو أفضل كمغرف مائي متعدد المقاييس، وهذا النقاف يترجم مباشرة إلى استخدام مادي منخفض، وانخفاض الوزن، واحتمالات الادمة في المجال العسكري.
أنواع المواد التي تستخدم في إنتاج المياه
وليس كل الغرافيني هو نفسه، وقد استحدث الباحثون عدة مشتقات ومركبات مصممة خصيصا لتطبيقات محددة للتخزين، وكل شكل يقدم مزايا متميزة تبعاً للملوثات المستهدفة وظروف التشغيل.
غرافين أوكسيد (GO)
(ب) إنتاج أكسيد الغرين بواسطة مادة الغرافيت المكسدة باستخدام حمض قوي (في كثير من الأحيان عن طريق طريقة الهمرز)، أو إنتاج صحائف مزينة بمجموعات وظيفية تحتوي على الأكسجين، أو هذه المجموعات تجعل من العزل الهيدرولي، أي أنها تفرق بسهولة في الماء - سمة حرجة لصبغ الزهري وتجهيز الحلول.
تخفيض غرافين أوكسيد (rGO)
(ب) إن المواد الناتجة عن ذلك تستعيد جزئياً شبكة الكربون المتطايرية، وتحسن السلوك الكهربائي، وتحتفظ ببعض الفئات الوظيفية التي تساعد على التفريق والاستيعاب.
بريستين غرافين ونانوبروس غرافين
Pristine, defect-free graphene is impermeable to all molecules, including water, because the electron density of the aromatic rings blocks passage. To make it permeable, deliberate nanoscale pores must be introducedeither through ion bombardment, plasma etching, or chemical creating [FLgraph:0]oporous
مركبة محمولة من طراز Graphene-Based
To combine the benefits of graphene with other functional materials, researchers have developed a wide range of composites. Graphene-polymer composite component [Fylmico]
التطبيقات: تكنولوجيات التخزين الحالية والناشئة
ويجري إدماج المواد التي تستند إلى غرافين في تشكيلات متنوعة لمعالجة المياه، تتراوح بين نماذج أولية على نطاق واسع وبين نظم تجريبية، ويرد أدناه عرض لأبرز التطبيقات.
Membrane Filtration (Nanofiltration, Reverse Osmosis, Forward Osmosis)
وقد تم تطوير أجهزة قياس مركب من نوع " غ " ، وهي تحتوي على مادة " غو " أو " GO " ، وذلك من أجل التلقيح النباتي وعكس الأوسمة، كما أفاد الباحثون بأن إضافة طبقة رقيقة من " RO membrane " ، يمكن أن تؤدي إلى تحسين تدفق المياه بنسبة تتراوح بين 30 و50 في المائة، مع الحفاظ على الرفض الملح أو حتى تعزيزه.
استيعاب المعادن الثقيلة وتطهير داي
أما المواد المستضافة التي تستخدم في الغولفين، ولا سيما في غو وروس ف.، فتستخدم كبش أو عمودي لحذف المعادن الثقيلة والأدوية الاصطناعية من المياه، ويمكن أن تزيد قدرة التصريف المركب على الرصاص (Pb2+) على 800 ملغم/غرام، مع أن كمية كبيرة من الكربون المنشط يمكن أن تصل إلى حد سريع من السائل المكافئ في غضون دقائق.
التحلل الفوتوكاتي للملوثات العضوية
ويجمع مصانع التصوير التي تستخدم الغروفين بين المساحة العالية والتنقل الإلكتروني للغرافينيين مع مفاتح ضوئية شبه موصلية مثل تي أو 2 أو زين أو جي - 3N4، وعندما تتعرض هذه المركبات للضوء، فإنها تولد أنواعاً من الأكسجين الرجعي يمكن أن تكسر الملوثات العضوية في ثاني أكسيد الكربون غير المؤذي وثاني أكسيد الكربون، تعمل معطفاً من نوع غريناً معالجاً.
الترسيب الاستيعابي للتحلل من المياه الساكنة
أما عملية إزالة الأسهم الكهروكيميائية فهي عملية معالجة للمياه الكهروكيميائية تزيل الأيون عن طريق تطبيق كمية منخفضة (1-2 خامسا) عبر كهروود الكربون الخماسية.() ويُعدّ هذا النظام، مع ارتفاع معدل النشاط الكهربائي ومساحة سطحه، مادة كهرومغناطيسية ممتازة بالنسبة لمادة CDI.() ومقارنة بالكهرباء الكربونية المنشطة التقليدية، يمكن للكهرباء أن يحققوا قدرة أعلى على معالجة الملح، وتشمل أوجه التقدم السريع في مجال إزالة الأيوني.
سطح مضاد للدماغات وتطهيرها
كما أن المواد التي تستخدم في غلافين، ولا سيما غوغ وريغو، تظهر مضادات للفيروسات الاصطناعية ومضاداتها، ويمكن أن تقطع الحواف الحادة من صحائف النانو الغرافينيين من خلال أجهزة قياس الخلايا المجهرية، بينما يمكن للإجهاد الأوكسي الناجم عن المواد أن يلحق الضرر بمكونات الخلايا، مما يجعل التصفيات السطحية المتطورة للمرشحين وحاويات المائية، وملابس المغلقة، وأجهزة المحتوية على الجروح.
التحديات التي تواجه التغلب على التبني قبل توسيع نطاقه
وعلى الرغم من الإمكانات الملحوظة لتكنولوجيات تهوية المياه القائمة على الرسوم البيانية، يجب التصدي للعديد من العقبات الهامة قبل نشرها على نطاق واسع لتلبية الاحتياجات العالمية من المياه، وهذه التحديات تشمل إنتاج المواد، وتصنيع الإغراق، واستقرار الأداء، والسلامة البيئية.
ارتفاع تكاليف الإنتاج والقدرة على التصعيد
أما تركيبة الغرافيين العالية الجودة، ولا سيما الغرافيين الأحاديين والأغنام النانوية، فلا تزال باهظة التكلفة، بينما يمكن أن تؤدي المواد الهندسية الكيمائية الحالية إلى ارتفاع تكلفة البخار، والنمو الإلزامي، والكميات المحدودة من الصبغة السائلة، وذلك بكلفة تتجاوز بكثير تكاليف المواد التقليدية المتعددة الزمرات، وفي حين أن الأوكسيد الغرافيني يمكن أن ينتج بشكل أرخص في الحجم الكبير، فإن نوعية وحجم الكيميائي.
Membrane Stability and Long-Term Performance
وفي الممارسة العملية، كثيرا ما تعاني العرافات القائمة على الرسوم البيانية من ارتفاع في المياه، وإلغاء طبقات مكبلة، وانخفاض الأداء التدريجي بسبب الإكراه على المجموعات الوظيفية وتدهورها الكيميائي، وبالنسبة إلى أجهزة غمبرة، فإن المباعدة بين الطوابق يمكن أن تتغير مع كيميائيات المياه، مما يؤدي إلى تقلبات في الرفض، إذ أن الربط بين هذه المواد وبين التعددية أو الاسترباد الاصطناعي يمكن أن يؤدي إلى تحسين الاستقرار في ظروف دائمة.
Membrane Fouling and Cleaning
وعلى الرغم من أن السطح الجاموس أكثر مقاومة للضغط الأحيائي من بعض السطحات المتعددة البوليمر، فإنه ليس محصنا، فمع مرور الوقت، فإن المادة العضوية الطبيعية، والارتقاء بالمعادن، وال الكائنات المجهرية يمكن أن تتراكم على سطح الميمبراين، والمسامير المستنسخة، والحد من التدفقات، وكثيرا ما لا يتم توحيد بروتوكولات تنظيف المواد الكيميائية المنخفضة الأثر.
المخاطر البيئية والصحية المحتملة
إن المصير البيئي للمواد التي تستند إلى علم الغرافيين - خاصة إذا تم إطلاقها في أجساد المياه الطبيعية - غير مفهوم تماماً، وتشير بعض الدراسات إلى أن أكسيد الغرافيين يمكن أن يكون سمياً للكائنات المائية ذات التركيزات العالية، بينما تظهر دراسات أخرى تدني السمية في إطار سيناريوهات التعرض الواقعية، وأن إمكانية ظهور الجسيمات النانوية في النسيج من الأغرافات أثناء التشغيل، والتراكم في البيئة تثير شواغل.
إدماجها في الهياكل الأساسية القائمة
ومعظم محطات معالجة المياه البلدية تعمل مع العمليات القائمة )التصنيع، والرواسب، والولادة، والتخصيب(، وإعادة تجهيز هذه النباتات بالرما أو المطاعم القائمة على الرسوم البيانية، تتطلب هندسة دقيقة لضمان التوافق مع النهوج الحالية، وسفن الضغط، ونظم التنظيف، وعلاوة على ذلك، فإن صناعة المياه متحفظة بطبيعتها؛ كما أن المرافق الكبيرة تتطلب وفورات في التكاليف وموثوقية طويلة الأجل، قبل اعتماد مواد رائدة.
التوقعات المستقبلية والتوجيهات البحثية
ورغم التحديات، فإن مسار البحوث المتعلقة بتوليد المياه القائمة على الرسوم البيانية إيجابي بشكل كبير، ولا يزال الاستثمار العالمي في مادة الترميز (Rade) ينمو، حيث يركز التمويل العام والخاص على السواء على تطبيقات المياه، ومن المرجح أن تؤدي عدة اتجاهات بحثية رئيسية إلى إحراز تقدم في السنوات القادمة.
الهندسة الاصطناعية والنسيج المفرد
ويمكن أن يكون إنتاج الشعارات الغرافينية الكبيرة، والرسمية النانوية الوحيدة التي لها حجم و كثافة متحكمين بدقة، كما أن التقدم المحرز مؤخرا في الحرق الموجه باستخدام أحزمة الأيونات المركّزة، ورسم الليثومات المكسوسة، وأجهزة احتكار ذاتية الصنع قد يزيد هذا الهدف عن الواقع بمقدار 99 في المائة من نماذج الرفض الكتروني
Graphene Hybrids and Synergistic Systems
فبدلاً من الاعتماد على الغرافيني وحده، يقوم باحثون كثيرون باستكشاف نظم هجينة تجمع بين مادة الغرافينيين وغيرها من المواد النانوية مثل نانووبات الكربون، أو المكسينات، أو الأطر ذات العضوية الفلزية، أو البوليمرات المروحية أحيائية، من أجل إنشاء منابر متعددة الوظائف، مثلاً، يمكن أن تؤدي المتجانسات المركبة التابعة لمؤسسة غوموجا إلى معادن ثقيلة في آن واحد.
حرية التعبير وذكاء الميمبرنز
ويمكن أن يؤدي دمج مادة الغرافيين مع المواد المستجيبة إلى استخدام أجهزة تطهير نفسها عند الطلب، ويمكن أن تؤدي المعاطف الفوتوكاتية التي تحتوي على مادة تي أو بيفو 4 إلى إزالة الرغاوي عند إشهارها، بينما يمكن تطهير الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي من أجل إعادة ضبط الملوثات المزودة بأجهزة كهرباء، كما يقوم الباحثون بتطوير درجات حرارة " ذكاء " لتغيير قدرتها على التبشيرة.
إنتاج منخفض الكبريت من الكتلة الأحيائية
ولتناول حاجز التكلفة، يقوم عدد متزايد من أفرقة البحوث بالتحقيق في توليف المواد التي تشبه مادة الغرافيني من سلائف الكتلة الحيوية الوفيرة مثل الليغنين أو الشيتوسان أو النفايات الزراعية، وهذه المواد، التي كثيرا ما تسمى " النقاط الكمية " أو " أجهزة التموين المخففة من أكسيد الغرافيين " ، قد تضحي ببعض الأداء، ولكنها يمكن إنتاجها في شكل من أشكال التجهيز البسيط.
الاعتبارات التنظيمية والمتعلقة بسلسلة الحياة
ومع تطور التكنولوجيا، ستزداد أهمية الجهود الموازية في تقييم المخاطر وتوحيدها، حيث إن وضع معايير دولية لتحديد خصائص المواد الغرافينية - التي تبثها منظمات مثل المنظمة الدولية للتوحيد القياسي وإرادة غرافين الأوروبية - سييسر إجراء مقارنات عبر الدراسات ويساعد المنظمين على تحديد حدود التعرض، كما أن تحليلات دورة الحياة التي تُحسب لاستهلاك الطاقة، والنفايات المادية، والتخلص من المواد في نهاية العمر ستوجه تصميم نظم مصممة للرسوم بيانية مستدامة بيئياً.
الاستنتاج: مسار مشرق ولكن خبيث
إن المواد التي تعتمد على التكوين تمثل أحد أكثر الحدود إثارة في تكنولوجيا تلف المياه، إذ أن تركيبتها غير العادية من المناطق السطحية العالية، والهياكل الأساسية التي لا يمكن تحصينها، والقوى الميكانيكية، والقابلية للتشهير، والقابلية للتشهير، هي التي تُتيح إمكانية التغلب على القيود الطويلة الأمد التي تنطوي عليها وسائل التخصيب التقليدية، ومن سرعة استيعاب المعادن الثقيلة، والارتدادات إلى درجة عالية من التذبذبذبذبذبذبذبذب.