פיתוח ישראלי חדש מייעל את תפקוד הציפוי הפולימרי שנועד למנוע התפתחות משקעים במתקנים לייצור מים מתוקים
מסננים תופסים מקום חשוב בחיינו. במטבח אנחנו נעזרים במסננת כדי להפריד את הפסטה ממי הבישול, במזגנים שלנו יש מסננים שעוזרים לצמצם את כמות האבק המתפזר באוויר, והמסנן בבר המים הביתי מטהר את המים ממזהמים. מסננים משרתים אותנו גם מחוץ לכותלי ביתנו – הם מותקנים בארובות מפעלים ותחנות כוח כדי לצמצם את זיהום האוויר, מונעים מהביוב לזהם את הסביבה בזכות השימוש בהם במכונים לטיהור שפכים, והופכים מי ים מלוחים למים מתוקים במתקני התפלה.
אחת הבעיות בתהליכי הסינון של מים היא שמשקעים, למשל אבנית, נוטים להצטבר במסננים ולסתום אותם. הבעיה מוכרת היטב לבעלי ברי מים ביתיים, אך היא קיימת בקנה מידה רחב יותר גם במתקני התפלה תעשייתיים. יש כיום כמה וכמה פתרונות טכנולוגיים להגנה על המסננים מסתימה, אך עדיין מחפשים דרכים נוספות לייעל את התפלת המים. מחקר חדש מציע כעת שיטה לנצל את יתרונותיה של הטכנולוגיה הקיימת ולשפר אותה.
משקעים כגון אבנית נוטים להצטבר על גבי המסננים ולסתום אותם. מסנן מים ביתי | Nor Gal, Shutterstock
אוסמוזה הפוכה
המחסור העולמי במי שתייה נקיים הולך ומחמיר בגלל גידול האוכלוסייה האנושית וההשפעות הסביבתיות של שינויי האקלים העולמיים. במצב הזה, טכנולוגיות ההתפלה, שמסלקות את המלחים ממי ים וממים מליחים אחרים ומותירות מי שתייה מתוקים, הן כלי חיוני במאמץ למנוע מהעולם לגווע מצמא, פשוטו כמשמעו.
אחת משיטות ההתפלה הנפוצות הנהוגות כיום נקראת אוסמוזה הפוכה. בשיטה הזאת מעבירים מים בלחץ גבוה דרך קרומים צפופים (ממברנות) שמונעים מעבר של מלחים וחומרים מזהמים. הקרומים האלה עשויים לרוב משכבות של כמה סוגים של פולימרים – מולקולות ארוכות שמורכבות משרשראות של אבני בניין קצרות יותר – שחוסמים באופן בררני חומרים שאינם מולקולות של מים. בתהליך הזה נוטים להצטבר על הקרום משקעים דמויי אבנית, שמקשים גם על המים לעבור לצד השני או אף סותמים אותו לגמרי.
עקב הקושי הזה, התפלה יעילה של מים מחייבת ניקוי מתמיד של קרומי הסינון. לשם כך אפשר להסיר משקעים בשיטות כימיות, בדומה לחומרים להסרת אבנית בקומקום הביתי, להשתמש בשיטות פיזיקליות כמו קרצוף הממברנה. אולם הפעולות האלה, וכך גם טיפול בנזקי חיידקים לממברנה (ביופילם) או עכירות גבוהה של המים עלולים להקשות מאוד על הניקיון. לעיתים, למרות כל המאמצים, הממברנה נסתמת ולא נותרת ברירה אלא להחליף אותה.
מקשים על הצטברות משקעים על גבי הקרום הבררני. שכבת פולימרים טעונים חשמלית המסודרים במבנה דמוי מברשת | דניאל חייקלסון באמצעות DALL-E
מברשת של מולקולות
אחת הדרכים לצמצם את תדירות החלפת הממברנות ולייעל את ניקיונן היא לצפות אותן בשכבה של פולימרים טעונים חשמלית, המסודרים במבנה דמוי מברשת. הפולימרים במברשות הללו מכונים צוויטריונים (zwitterions), והם מאופיינים בכך שיש בהם אזור בעל מטען חשמלי חיובי ואזור אחר שהמטען בו שלילי. המטענים המנוגדים הללו מקשים על הצטברות המשקעים על גבי הקרום הבררני, ובה בעת עוזרת למנוע התפתחות של זיהומים ביולוגיים במים.
במחקר החדש, בהובלת הכימאי ומדען החומרים רועי ברנשטיין מאוניברסיטת בן גוריון בנגב, מצאו החוקרים דרך דו-שלבית לשנות את פני השטח של הממברנה בצורה שמאפשרת לכסות אותה במברשות בצפיפות רבה ובפיזור אחיד. החוקרים טוענים כי ביצועיהן של ממברנות שצופו בשיטה שהייתה מקובלת עד כה אינם אחידים, בעיקר כי קשה לשלוט בצפיפות של המברשות ובפיזור שלהן על פני שטח הממברנה.
החוקרים הוסיפו שלב מקדים, שבו לפני שמצפים את הממבנה במברשות הפולימרים, יוצרים על גביה הרבה נקודות עגינה שהפולימרים הטעונים יוכלו להיקשר אליהן. השינוי הזה משווה לפולימרים צורה שמזכירה מברשות לניקוי בקבוקים. הצורה התלת-ממדית זו מאפשרת להגדיל את כמות המברשות המכסות את הממברנה. ואכן כשבדקו את תפקוד המסננים עם התוסף החדש, נצפתה ירידה משמעותית בהצטברות של משקעי צורן דו-חמצני (סיליקה) וגבס על גביהם, והם אפשרו לכמויות גדולות של מים לעבור בהם לאורך זמן.
החידוש הנוכחי צפוי לא רק לייעל ולהוזיל את התפלת המים, אלא גם תורם למאמצים חובקי העולם להבטיח מים נקיים לדורות הבאים, ומחזק את מעמדה של ישראל כמובילה עולמית בתחום המים. שיפור מתמיד של טכנולוגיות ההתפלה, למשל באמצעות מברשות צוויטריוניות, יוכל להבטיח לאוכלוסייה הגדלה והולכת של עולמנו אספקה סדירה ובת-קיימא של המשאב החשוב ביותר לחיים על פני כדור הארץ – מים נקיים.
