إكتشاف "بوردو" قد يحول صناعة تحلية المياه

الماء يدعم الحياة كلها ويعمل بمثابة مهد الحضارة. ومع ذلك، مع نمو سكان العالم، وتسارع التصنيع، وتفاقم تغير المناخ، برزت ندرة المياه باعتبارها واحدة من التحديات الأكثر إلحاحا التي تواجه البشرية في القرن الحادي والعشرين. ومن أفريقيا المنكوبة بالجفاف إلى مناطق الشرق الأوسط التي تعاني من ضغوط المياه والدول المتقدمة المعرضة للخطر بشكل متزايد، يهدد نقص المياه العذبة الاستقرار والتنمية العالميين.

تعمل تقنية التناضح العكسي (RO)، المسؤولة عن أكثر من نصف إنتاج المياه العذبة في المناطق القاحلة مثل الشرق الأوسط، على دفع مياه البحر عبر أغشية نصف منفذة تحت ضغط شديد - يصل إلى 70 ضعف الضغط الجوي - لاستخراج المياه النقية. وعلى الرغم من فعاليته، إلا أن الحفاظ على هذه الضغوط يتطلب استهلاكًا هائلاً للطاقة من خلال المضخات والمعدات، مما يساهم بشكل كبير في التكاليف التشغيلية وانبعاثات الكربون.

"تمثل الطاقة حوالي ثلث تكاليف دورة حياة محطة تحلية المياه"، يوضح ديفيد وارسنجر، أستاذ مساعد الهندسة الميكانيكية بجامعة بوردو. "حتى التحسينات الطفيفة في الكفاءة ببضع نقاط مئوية يمكن أن توفر مئات الملايين من الدولارات مع تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون."

باعتبارها رائدة عالمية في أبحاث العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات، قامت جامعة بوردو بتجميع فريق استثنائي لمواجهة تحديات ندرة المياه. لقد كان مختبر البروفيسور وارسنجر رائدًا في تطورات التناضح العكسي الثوري، حيث قام بتطوير مفاهيم تعمل على تحسين كفاءة استخدام الطاقة بشكل كبير.

أثناء دراسته للدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، تصور وارسنجر "التناضح العكسي الدفعي" - معالجة المياه على دفعات منفصلة بدلاً من التدفقات المستمرة. "تتم معالجة كل دفعة لمدة دقيقة أو دقيقتين"، يوضح وارسنجر. "نحن نزيد الضغط تدريجيًا مع تقليل الحجم، وفي النهاية ننتج مياهًا عذبة مكافئة بطاقة أقل."

فقدت أنظمة الدفعات التقليدية كفاءتها أثناء ركوب الدراجات المتقطعة. وجاء هذا الإنجاز من خلال تصميم غرفة المكبس الذي يلغي وقت التوقف عن العمل. يوضح وارسنجر: "بدلاً من تفريغ المكبس بالكامل، نستخدم مياه البحر الواردة لدفع الدورة التالية". "هذا النهج المزدوج الإجراء يحافظ على عملية شبه مستمرة."

الأبحاث المنشورة فيتحلية المياهيوضح أن هذا النظام يحقق كفاءة غير مسبوقة في استخدام الطاقة، ومن المحتمل أن يضع معايير صناعية جديدة.

قامت الباحثة العليا ساندرا كوردوبا، المؤلفة الرئيسية للدراسة، بتطوير نماذج هيدروليكية لتحسين الأداء. ويشير كوردوبا إلى أن "التناضح العكسي يتضمن متغيرات معقدة مثل الضغط والحجم والملوحة ومعدلات الاسترداد والوقت والطاقة". "تحدد نماذجنا أنماط الضغط المثالية للحد الأدنى من استهلاك الطاقة."

يتكيف حجم غرفة المكبس مع احتياجات التطبيقات — بدءًا من الوحدات المنزلية المحمولة وحتى التركيبات ذات النطاق الصناعي. يقول وارسنجر: "إنه في الأساس مجرد أنبوب به مكبس مانع لتسرب الماء، ولكن هذه البساطة تتيح الكفاءة التحويلية".

قام مرشح الدكتوراه أبهيمانيو داس بتطوير نوع مختلف يسمى Batch Counterflow Reverse Osmosis، والذي يقوم بتوزيع تركيزات معينة من الماء عبر أسطح الأغشية. وقد أثبت هذا الابتكار فعاليته بشكل خاص في التطبيقات عالية الملوحة مثل معالجة مياه الصرف الصناعي.

يوضح البحث الذي أجراه طالب الدراسات العليا مايكل روجنبورج كيف يمكن لمجموعة التناضح العكسي المقترنة بالطاقة المتجددة توفير المياه العذبة على طول الحدود بين الولايات المتحدة والمكسيك التي يبلغ طولها 1954 ميلًا. توفر الأنظمة التي تعمل بالطاقة الشمسية أو طاقة الرياح حلولاً خالية من الوقود الأحفوري للمناطق التي تعاني من ضغوط المياه.

يقول وارسنجر: "إن الأمن المائي يمثل تحديًا عالميًا محددًا". "إذا تمكنا من خفض التكاليف بشكل طفيف، فإن تحلية المياه تصبح قابلة للتطبيق لعدد أكبر من المجتمعات - مما قد يؤدي إلى إحداث تأثير تحويلي."

وقد قدم مكتب تسويق التكنولوجيا التابع لمؤسسة بوردو للأبحاث براءات اختراع لهذه الابتكارات، مما يسهل التطبيقات الواقعية لمعالجة ندرة المياه.

بدعم من المنح المقدمة من لجنة فولبرايت، والمختبر الوطني للطاقة المتجددة، وجامعة بوردو، يواصل فريق وارسنجر تطوير الحلول التي قد تحول محيطاتنا في يوم من الأيام إلى مصادر موثوقة للمياه العذبة. ويجسد عملهم كيف يمكن للابتكار التكنولوجي، عندما يقترن بالممارسات المستدامة، أن يعالج تحديات الموارد الأكثر إلحاحا التي تواجه البشرية.