النهج الابتكارية لإدماج غرامين في تكنولوجيات تسخير المياه المستدامة

Porous Graphene Membranes

- بالإضافة إلى تصميمات النسيج، يقوم الباحثون أيضاً بإنشاء ممر وحيد أو عدد قليل من الخرافات ذات مسامات فرعية تستخدم عمداً بواسطة تقنيات مثل البلازما الأكسجينية، أو القصف بالإيون، أو الإشعال الإلكتروني المركّز، ويمكن لهذه الميدبرات الغرافية الخبيثة أن تحقق رفضاً شبه ملائم للآلام والجز الصغيرة، مع الحفاظ على قابلية الارتداد القصوى

بيد أن رفع مستوى المزادات الغرافينية المخروطة لا يزال تحديا كبيرا، إذ إن إنشاء مناطق كبيرة، وأفلام للغرافيا الخالية من العيوب، ثم إدخال مسامير موحدة ذات توزيع ضيق الحجم يتطلب معدات مكلفة ومراقبة دقيقة للعمليات، ومع ذلك فإن التقدم المحرز في معالجة الخنازير الكيميائية المتداولة وتقنيات التحويل تجعل هذه الميمبرانيات أكثر سهولة للاختبار على نطاق تجريبي.

Membranes الهجينة والمركبة

To combine the strengths of graphene with other materials, researchers are developing hybrid membranes that embed graphene flakes within a polymermel or layer graphene on ceramic supports. These composites often exhibit enhancedميكانيكيal stability, fouling resistance, and tunable surface charge. For instance, polyethersulfone (PES) ultrafiltration membranes infut

External link: Nature: Realizing the potential of graphene-based membranes for water purification]

إجلاء المياه بواسطة الطهي الحراري

إن جني المياه من الملح أو المصادر الملوثة باستخدام الطاقة الشمسية ممارسة قديمة، ولكن الترسيب قد أحدث ثورة في كفاءة التبخر الحراري الضوئي، وعندما يُنثر في الماء أو يُنظَّم كفيلم أو هورجيل، فإن الغرافيين يُظهر إمتصاص الضوء ذو الأطنان الواسعة (من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء) ويُحوَّل بكفاءة إلى صور مسخنة.

Graphene-Based Solar Evaporators

استخدمت التصاميم المبكرة جزيئات أكسيد الغرافين المعلق التي تحت ضوء الشمس، وسخّرت المياه المحيطة والتبخر المستحث، غير أن الكفاءة كانت محدودة بسبب فقدان الحرارة إلى السوائب، وتستخدم النُهج الحديثة هياكل زائفة مخرفة تحصر الحرارة في السطح المائي، وتشمل التكوينات الشكلية التي تحتوي على أكسيد الغرافيني أوكسيدات الهوائية، وتخفض قيمة الأوكسجين.

ومن الأمثلة البارزة دراسة عام 2020 في المواد المسلَّمة ] حيث صمم الباحثون رغاوي هرمية ذات هيكل مجهري يوفر كلا من نقل مياه الكابينة والتدفئة الشمسية الفعالة، وقد ينتج هذا الجهاز مياه نظيفة بمعدل 2.5 كغم/م2 تحت أحد شمس، كما أن المياه المجمعة قد استوفت معايير المياه الصالحة للشرب بالنسبة للملح.

التكامل مع التكنولوجيات الأخرى

Photothermal graphene systems are increasingly combined with other functions to create multifunctional water harvesting devices. For instance, some researchers have integrated graphene-based solar evaporators with thermoelectric modules that uses the temperature gradient between the hot evaporating surface and the ambient air to generate electricity. such hybrid devices can provide both fresh water and power for remote communities, as demonstrated in a 2022]

وثمة اتجاه واعد آخر يتمثل في إدماج الجسيمات النانوية المحتوية على الفلكات (مثلاً، تي أو جي - جي - 3N4) على سطح الغرافيني لتمكين تحلي الملوثات العضوية أثناء التبخر في الوقت نفسه، وهذا الازدواج يعالج أحد القيود الرئيسية للثبات الشمسية الملوثة - عدم القدرة على إزالة الملوثات الكيميائية التي لا تزدهر بسهولة)

External link: RSC Energy ' Environmental Science: Hybrid solar vapor birth and thermoelectric tool]

غرافين - إنيدز

وقد اكتسبت عملية جمع المياه في الغلاف الجوي - استخراج الرطوبة من الهواء - كوسيلة لإنتاج المياه العذبة في المناطق القاحلة، ويجري حالياً التحقيق في المواد التي تستند إلى غرافين لتحسين كل من مرحلتي الاستيعاب والاحتواء في نظم المياه الجوفية، ولا سيما تلك التي تستغل دورات درجات الحرارة النهارية.

نظم الاستيعاب - القاعدة مع غرافين إيروغلز

وتسمح المواد الخاملة التقليدية مثل الجيل أو الزيلات بسحب كميات محدودة من المياه وتحتاج إلى درجات حرارة عالية من التجدد، كما أن شبكات الرش المطاطية المحتوية على أفران مائية سريعة الدفع تتيح تشغيلها بموجات مائية معتدلة (مثلاً، ليكل، وكالبوس) لتحقيق قدرات عالية لامتصاص الماء، تتجاوز في كثير من الأحيان 2 غراماً من الزئبق.

وفي دراسة أجريت في عام 2021 نشرت في Science Advances]، استولى على مياه من الهواء في الليل (عندما تكون الرطوبة مرتفعة) وأطلقها خلال اليوم تحت ضوء الشمس، مما أسفر عن 0.5 لتر من الماء لكل كيلوغرام من الدورة الواحدة، وشغل النظام أكثر من 100 دورة دون تدهور الأداء.

Fog Harvesting with Graphene-Coated Mesh

كما أن جني المياه هو تقنية سلبية تجمع قطرات المياه من الرياح التي تصيب الضباب باستخدام الناموسيات المصغرة، كما أن المسامير المتعددة البرولين التقليدية تتسم بقدر ضئيل من الكفاءة في جمعها لأن قطرات صغيرة تميل إلى التدفق حول الألياف بدلاً من التأثير عليها، كما أن اختبارات الألياف المصغرة بالغرافيا يمكن أن تحسن بشكل كبير عملية الاستيلاء على المطفى السطحي المرتفعة وتتحكم في الأوكسجين لعام 2020.

External link: Science Advances: Hygroscopic graphene aerogels for atmospheric water harvesting]

التكامل مع الميل الشمسي - الدريفن

وفي حين أن التبخر الحراري الضوئي والتنشيط المغناطيسي يعدان بصورة فردية، فإن مزيجهما في نظم تحلية مدمجة تعمل بالطاقة الشمسية يوفر فوائد تآزرية، ويمكن أن تكون غرافين ممتصاً فولطياً ومحتوياً على مادة ميمبرانية في جهاز واحد، فعلى سبيل المثال، وضع الباحثون جهازاً عائماً يستخدم طبقة من الأشعة فوق البنفسجية على أعلى إنتاج من أكسيد الشمس().

وقد برهنت تجربة ميدانية في ريف راجاستان على أن الطاقة الشمسية ذات القاعدة المنخفضة التكلفة لا تزال تنتج 12 لترا/م2 يوميا على مدى فترة 10 أشهر، مع وجود احتياجات لصيانة أدنى من تلك الوحدات، كما أن اعتماد النظام على المواد المتاحة محليا وعمليات الصنع البسيطة (مثل تفرقات الرؤوس في مواقع الوصل إلى أوراق الخلايا) يشير إلى وجود مسار قابل للتطبيق.

التحديات والقابلية للارتقاء

وعلى الرغم من التقدم الملاحظ، يجب التغلب على عدة حواجز قبل أن يتم اعتماد تكنولوجيات جمع المياه القائمة على الرسوم البيانية على نطاق واسع، أولاً، أن التوليف الواسع النطاق لأوكسيد الجاين والغرافيين العالي الجودة لا يزال باهظ التكلفة وكثيف الطاقة، والأساليب الحالية، مثل أكسيد هومر للأشعة تحت الحمراء بالنسبة للغرافيا البكرية، تشمل مواد كيميائية خطرة، ودرجات حرارة عالية، أو معالجة متطورة التكلفة.

ثانيا، يتطلب الاستقرار الطويل الأجل للمواد الغرافينية في بيئات المياه الحقيقية إجراء تحقيق شامل، ففي حين أن الاختبارات المختبرية تظهر تدهورا طفيفا على مدى أيام أو أسابيع، فإن المياه الحقيقية تحتوي على كوكتيل من المواد العضوية المذوبة، وال الكائنات المجهرية، والرسومات المتنازعة التي يمكن أن تسبب التآكل أو التوسع أو التفكك في الهياكل القائمة على الرسوم البيانية، مثلا، يمكن أن تتداخل بين أجهزة التنظيف الكالسيوم والأوعية المغنمية.

ثالثا، إن السمية المحتملة للمواد النانوية الغرافينية تثير شواغل بيئية وصحية قد تعوق القبول التنظيمي، وتشير بعض الدراسات البيطرية إلى أن الحواف الحادة أو أنواع الأكسجين الرجعية التي تنتج عن الغرافيين يمكن أن تلحق الضرر بالأمبراني الخلوية أو تسبب الإجهاد الأوكسي، غير أن معظم هذه الدراسات تستخدم تركيزات عالية من الغرافيين لا تمثل سيناريوهات التعرض الواقعية.

حلقة اتصال خارجية: Desalination: Life cycle assessment of graphene-based membranes for water treatment]

المستقبل توجيهات وجبهة البحوث

وفي المستقبل، تعد عدة اتجاهات ناشئة بالتعجيل بترجمة تكنولوجيات المياه من المختبر إلى السوق، ويتمثل أحدها في استخدام التعلم الآلي والاستخبارات الاصطناعية لتحقيق الحد الأمثل من البارامترات التوليفية للدمغات الغرافينية، ويمكن للباحثين، من خلال نماذج التدريب على مجموعات البيانات الضخمة من النتائج التجريبية، التنبؤ بحجم المزلاج الأمثل، ودرجة الأكسدة، والكثافة الاستبانة بالنسبة لتركيب المائي المائي.

وثمة حدود أخرى تتمثل في تطوير مركبات الغرافيا ذاتية التلقيح التي يمكن أن تصلح بشكل مستقل الميكروفونات أو طبقات القذف، وقد حفزها النظم البيولوجية، باحثون قد برزوا كميات كبيرة من المواد المحتوية على عوامل شفاء تُطلق عند وقوع الضرر.

وأخيرا، ستكون الشراكات في مجال السياسات والصناعة حاسمة، إذ أن منظمات مثل المنتدى الاقتصادي العالمي ومعجلات الوصول إلى المياه في الأمم المتحدة حددت مواد متقدمة بوصفها عاملا رئيسيا في التمكين من تحقيق الهدف 6 من الأهداف الإنمائية المستدامة (المياه والمرافق الصحية) وتشمل المبادرات التعاونية التي تجمع الأوساط الأكاديمية والبدء ومرافق المياه المساعدة على وضع معايير للتحقق من الأداء، واختبار مدى العمر، ووضع معايير لقياس التكاليف.

خاتمة

وقد غيرت غرافين بصورة أساسية من مشهد جمع المياه المستدامة من خلال التمكين من تذويب الأدمغة مع انتقائية غير مسبوقة وقابلية للتشفير الحراري الضوئي مع كفاءة الطاقة الشمسية القريبة من الأرض، وتلقي المياه في الغلاف الجوي من الهواء الجاف، وفي حين أن التحديات في مجال التصنيع القابل للتكدس، والقابلية للاستمرار في البقاء، والسلامة البيئية، فإن وتيرة الابتكار توحي بأن الحلول التجارية في متناولها.