تقنية جديدة لحصاد الماء من الهواء بالطاقة الشمسية

تمكن فريق من الباحثين في جامعة شنغهاي جياو تونغ في الصين من ابتكار تقنية تقوم بحصاد الماء من الهواء مباشرة، وذلك باستخدام مواد مرطبة (Hygroscopy Materials) تعمل على جذب وامتصاص جزيئات الماء من الهواء.

وجاء ذلك في الدراسة التي نشرتها دورية أبلايد فيزيكس ريفيوز (Applied Physics Reviews) في عددها الصادر يوم 5 ديسمبر/كانون الأول الجاري.

وبحسب البيان الصادر من المعهد الأميركي للفيزياء الذي تبنى الدراسة، فإن التقنية المبتكرة هي تقنية بسيطة وغير مكلفة، وبالتالي ستكون مناسبة للاستخدام على نطاق واسع.

الحصول على مياه الشرب

ووفقا لما ورد في بيان المعهد الأميركي للفيزياء فهناك أكثر من 2.2 مليار إنسان يعانون من الإجهاد المائي، وتشير تقديرات الأمم المتحدة إلى أن 3.5 ملايين شخص يموتون كل عام بسبب أمراض مرتبطة بالمياه.

وبالنظر إلى أن المناطق الأكثر احتياجا إلى مياه الشرب المحسنة تقع أيضا في بعض أكثر الأماكن المشمسة في العالم، فهناك اهتمام قوي بتسخير ضوء الشمس للمساعدة في الحصول على المياه النظيفة.

ولحل مشكلة الحصول على ما يكفي من مياه الشرب، وخاصة في المناطق الجافة، عمل الباحثون في جامعة شنغهاي جياو تونغ على ابتكار تقنية تعمل على توفير المياه بواسطة الطاقة الشمسية، واستخدام مادة هلامية وأملاح مرطِّبة تعمل على امتصاص الماء من الغلاف الجوي.

وفي هذا الصدد يقول رئيس الفريق البحثي لهذا الابتكار روتشو وانغ من جامعة شنغهاي جياو تونغ: "إنه لأجل التخفيف من معاناة الإجهاد المائي، فإنه يمكن استخدام تقنية حصاد المياه الجوية هذه لزيادة الاحتياجات اليومية من إمدادات المياه، مثل مياه الشرب المنزلية والمياه الصناعية ومياه النظافة الشخصية".

من ناحية أخرى ذكر بيان المعهد الأميركي للفيزياء أن التقنية المبتكرة تعتمد على تصنيع مادة هلامية فائقة الرطوبة قادرة على امتصاص كمية كبيرة من الماء والاحتفاظ بها، حيث يمكن لكيلوغرام واحد من الهلام الجاف أن يمتص 1.18 كيلوغرام من الماء في البيئات الجوية القاحلة، وما يصل إلى 6.4 كيلوغرامات في البيئات الجوية الرطبة.

الحل في الاسترطاب

الاسترطاب ‏هو قدرة المادة على جذب جزيئات الماء من البيئة المحيطة عن طريق الامتصاص، ويتم ذلك بحدوث تغيير فيزيائي في المادة الماصة عند تعلق جزيئات الماء فيها، وذلك إما بزيادة الحجم أو الالتصاق أو غيرها من الخواص الفيزيائية.

وتشمل المواد المسترطبة ألياف السيليلوز (كالقطن والورق) والسكر والكراميل والعسل والغليسيرول والإيثانول والميثانول ووقود الديزل وحمض الكبريت والكثير من الأملاح بما فيها ملح الطعام، والكثير من المواد الأخرى.

ويمكن مشاهدة الاختلاف بالاسترطاب عادة في غلاف الكتب الورقية المغلف بطبقة بلاستيكية عند حدوث رطوبة مفاجئة بالجو، فغلاف الكتاب سيلتف ويلتوى مبتعداً عن بقية الكتاب، لأن الوجه غير المغلف بطبقة البلاستيك سيمتص رطوبة أكبر وتزداد مساحته، مما يؤدي إلى إجهاد يلف الغلاف نحو الوجه المغطى بالبلاستيك.

ووفقا لمبدأ استرطاب المواد الهلامية والأملاح، تعمل هذه التقنية في حصاد الماء من الغلاف الجوي، والذي تحقق في التجربة المعملية التي قام بها الباحثون على جهازهم المبتكر.

وفي هذا الصدد يقول بيان المعهد الأميركي للفيزياء: تاريخيا واجه الباحثون تحديات عند حقن الملح في الهلاميات المائية حيث إن المحتوى العالي من الملح يقلل من قدرة التورم في الهلاميات المائية بسبب تأثير التمليح، وأدى ذلك إلى تسرب الملح وانخفاض قدرته على امتصاص الماء.

ويقول مؤلف الدراسة وانغ: "لقد تأثرنا بأنه حتى عندما حُقن ما يصل إلى 5 غرامات من الملح في غرام واحد من البوليمر، حافظ الهلام الناتج على انتفاخ جيد وخصائص احتجاز الملح".

ولهذا قام الباحثون بتصنيع هلام فائق الاسترطاب باستخدام مشتقات نباتية وأملاح استرطابية قادرة على امتصاص كمية لا مثيل لها من الماء والاحتفاظ بها، حيث أصبح بإمكان كيلوغرام واحد من الهلام الجاف أن يمتص 1.18 كيلوغرام من الماء في البيئات الجوية القاحلة، وما يصل إلى 6.4 كيلوغرامات في البيئات الجوية الرطبة.

بالإضافة إلى ذلك، اعتمد الفريق نموذجا أوليا لهذه التقنية مزودا بغرفتي امتزاز وتكثيف تم تكوينهما بالتوازي، إذ استخدم الباحثون توربينا في غرفة التكثيف لزيادة استخلاص الماء الممتص إلى أكثر من 90%.

عرض نموذجي للجهاز

وفي عرض نموذجي خارجي، وجد الفريق أن تقنيتهم تطلق الماء الممتز (أي الماء الذي تم جذبه وامتصاصه من الغلاف الجوي) حتى في الصباح أو بعد الظهر عندما تكون الشمس ضعيفة، وبالتالي يمكن للنظام أيضا تحقيق الامتزاز خلال النهار.

وسيعمل الفريق على تحقيق عملية جذب الماء وامتصاصه من الغلاف الجوي، وذلك باستخدام الطاقة المتجددة للحصول على إنتاجية عالية من الماء، وكذلك لزيادة تحسين أداء النظام للتطبيقات العملية في توليد المياه.

من ناحية أخرى يرى الباحثون أن هذه التقنية يمكنها أيضا أن تلعب دورا مهما في التطبيقات المستقبلية مثل إزالة الرطوبة والري الزراعي والإدارة الحرارية للأجهزة الإلكترونية.

————————————————————————-

المصادر:

1. البيان الصادر من المعهد الأميركي للفيزياء Harvesting Water from Air with Solar Power
2. الدراسة المنشورة في مجلة الجمعية الكيميائية الأميركية Daytime air–water harvesting based on super hygroscopic porous gels with simultaneous adsorption–desorption featured