كيف يساعد حجم المسام الصغير غشاء RO على تحلية مياه البحر؟

1. حجم المسام الصغير للغاية: مقياس الدقة للعالم المجهري
حجم المسام غشاء RO يمكن أن يطلق عليه مقياس الدقة النهائي في العالم المجهري. عادة، يبلغ حجم المسام حوالي 0.0001 ميكرون فقط، وهو صغير جدًا لدرجة أنه لا يمكن تصوره تقريبًا. لكي نشعر بهذا المقياس بشكل أكثر حدسية، يمكننا مقارنته بمواد شائعة. يتراوح قطر معظم الفيروسات بين 0.02 و0.3 ميكرون، وحجم مسام غشاء RO أصغر بكثير من معظم الفيروسات. مع هذا الحجم الصغير للمسام، فإن الجزيئات الصغيرة جدًا مثل جزيئات الماء هي الوحيدة التي لديها فرصة للمرور عبرها.
يبلغ قطر جزيء الماء حوالي 0.276 نانومتر. وبالمقارنة، يبلغ قطر الملح في مياه البحر، مثل أزواج أيونات كلوريد الصوديوم، حوالي 0.5 نانومتر، وحجم الكائنات الحية الدقيقة مثل الإشريكية القولونية يصل إلى مستوى الميكرون. هذا الاختلاف الكبير في الحجم يجعل غشاء RO مثل المنخل الفائق المصمم جيدًا في عملية تحلية مياه البحر. لا يمكن للملح والشوائب المرور عبر المسام الدقيقة الموجودة على الغشاء نظرًا لحجمها الكبير، في حين يمكن لجزيئات الماء المرور بسهولة نسبيًا عبر قنوات المسام الدقيقة هذه والانتقال من جانب مياه البحر إلى جانب المياه العذبة نظرًا لصغر حجمها.
من منظور المبادئ الفيزيائية، فإن آلية الفحص هذه المستندة إلى اختلافات الحجم تتوافق مع ميكانيكا الموائع ونظرية الانتشار الجزيئي. عندما تتدفق مياه البحر عبر غشاء RO تحت ضغط خارجي، تتبع جزيئات الماء قانون الحركة البراونية تحت الضغط وتجد وتمر عبر مسام الغشاء على نطاق مجهري. ومع ذلك، لا يمكن للملح والشوائب أن تشارك في "رحلة العبور" المجهرية هذه، لأن حجمها يتجاوز نطاق مسام الغشاء، ويتم اعتراضها بشكل فعال. يوفر تأثير الغربلة الدقيق هذا الضمان الأساسي لتحلية مياه البحر وهو أحد العناصر الأساسية لأغشية التناضح العكسي لتصبح "شاشات" دقيقة.

2. التركيب الفريد للمواد: الأساس المادي للبنية المجهرية
إن السبب وراء دقة البنية المجهرية لغشاء RO لا يمكن فصله عن الخصائص الفريدة لمواد البوليمر التي يتكون منها. هناك أنواع عديدة من مواد البوليمر التي تشكل أغشية RO، من بينها مادة البولي أميد، وخلات السليلوز، وما إلى ذلك هي مواد أكثر شيوعا. تتمتع مواد البوليمر هذه بتركيبات كيميائية وخصائص فيزيائية فريدة، مما يوفر أساسًا ماديًا لبناء هياكل مجهرية دقيقة.
إذا أخذنا أغشية البولياميد المركبة كمثال، فإنها عادة ما تتكون من طبقة فصل نشطة من مادة البولي أميد رقيقة جدًا وطبقة داعمة. تعتبر طبقة الفصل النشطة من مادة البولي أميد هي الجزء الأساسي لتحقيق فصل الملح والشوائب. إنه يشكل بنية دقيقة للغاية يسهل اختراقها على سطح الطبقة الداعمة من خلال التقنيات المتقدمة مثل البلمرة البينية. تتمتع مادة البولي أميد نفسها بثبات كيميائي جيد وقوة ميكانيكية، ويمكنها تحمل الضغوط المختلفة والتأثيرات الكيميائية في عملية تحلية المياه مع الحفاظ على استقرار البنية المجهرية.
في البنية المجهرية لطبقة الفصل النشطة من مادة البولي أميد، تتفاعل السلاسل الجزيئية مع بعضها البعض من خلال الروابط التساهمية والروابط الهيدروجينية، مما يشكل ترتيبًا محكمًا ومنظمًا. لا يحدد هذا الترتيب حجم المسام وتوزيع الغشاء فحسب، بل يؤثر أيضًا على تقارب الغشاء وتنافره مع المواد المختلفة. على سبيل المثال، بعض المجموعات الوظيفية في السلسلة الجزيئية للبولي أميد، مثل مجموعات الأميد، لها قطبية معينة ويمكن أن تشكل روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء، وبالتالي تعزيز انتقال جزيئات الماء في مسام الغشاء. بالنسبة لأيونات الملح المشحونة، فإن توزيع الشحنة على سطح غشاء البولي أميد سوف ينتج عنه تنافر كهروستاتيكي، مما يمنع الملح من المرور عبر مسام الغشاء.
تتمتع أغشية خلات السليلوز أيضًا بخصائص بنية مجهرية فريدة من نوعها. خلات السليلوز هي أحد مشتقات السليلوز التي تحتوي على عدد كبير من مجموعات الهيدروكسيل والأسيتيل في تركيبها الجزيئي. تعطي هذه المجموعات الوظيفية أغشية خلات السليلوز محبة للماء وانتقائية جيدة. على المستوى المجهري، تتفاعل جزيئات خلات السليلوز من خلال قوى فان دير فال بين الجزيئية والروابط الهيدروجينية لتشكيل بنية غشائية ذات حجم مسام ومسامية محددين. يمكن لهذا الهيكل أن يمنع الملح والشوائب في مياه البحر بشكل فعال بينما يسمح لجزيئات الماء بالمرور لتحقيق تحلية مياه البحر.

3. الشكل المعقد للسطح المجهري: "التضاريس الوعرة" للعالم المجهري
على المستوى المجهري، سطح غشاء RO ليس مسطحًا وناعمًا، ولكنه يمثل تضاريس معقدة مليئة بالأخاديد والمسام الصغيرة. يعزز هذا الشكل السطحي المعقد قدرة غشاء RO على العمل بمثابة "منخل" دقيق.
المسام الصغيرة الموجودة على سطح غشاء RO ليست ثقوبًا دائرية بسيطة، ولكنها ذات أشكال معقدة وتوزيعات غير منتظمة. قد تكون هذه المسام الصغيرة بيضاوية الشكل أو متعددة الأضلاع أو حتى ذات أشكال غير منتظمة يصعب وصفها. علاوة على ذلك، فإن توزيعها على سطح الغشاء ليس منتظمًا، بل عشوائيًا. وهذا الشكل والتوزيع غير المنتظم يزيد من صعوبة مرور الأملاح والشوائب عبر مسام الغشاء.
عندما يحاول الملح والشوائب المرور عبر مسام الغشاء، فإنهم لا يواجهون محدودية حجم المسام فحسب، بل يواجهون أيضًا التحديات الناجمة عن شكل مسام الغشاء وتوزيعها. بسبب عدم انتظام مسام الغشاء، قد يتم سد الأملاح والشوائب عند الاقتراب من مسام الغشاء لأنها لا يمكن أن تتطابق تمامًا مع مسام الغشاء. على سبيل المثال، يمكن اعتراض جسيم غرواني غير منتظم الشكل عند محاولة المرور عبر مسام الغشاء الإهليلجي لأن بعض أجزاء الجسيم لا يمكنها المرور عبر الجزء الضيق من مسام الغشاء.
بالإضافة إلى ذلك، تؤثر الأخاديد والمسام المجهرية الموجودة على سطح غشاء RO أيضًا على تدفق وانتشار جزيئات الماء على سطح الغشاء. قبل المرور عبر مسام الغشاء، تحتاج جزيئات الماء إلى الانتشار والهجرة إلى حد ما على سطح الغشاء. يمكن للتشكل المعقد لسطح الغشاء أن يزيد من مساحة التلامس بين جزيئات الماء وسطح الغشاء، ويعزز انتشار جزيئات الماء، وبالتالي يزيد من تدفق الماء للغشاء. وفي الوقت نفسه، يساعد هذا الشكل السطحي المعقد أيضًا على تقليل ترسب الملح والشوائب على سطح الغشاء، وتقليل خطر تلوث الغشاء، وضمان التشغيل المستقر طويل المدى لغشاء RO.

4. التأثير التآزري للبنية المجهرية: الكفاءة الشاملة لـ "الشاشة" الدقيقة
البنية المجهرية لغشاء RO ليست إضافة بسيطة لكل مكون، ولكن من خلال التأثير التآزري لحجم المسام الدقيق للغاية، والتركيب الفريد للمادة والشكل المعقد للسطح المجهري، فقد خلقت معًا كفاءتها القوية باعتبارها "شاشة" دقيقة.
يوفر الحجم الصغير لحجم المسام الحاجز المادي الأساسي للفصل بين جزيئات الماء والملح والشوائب. يحدد التركيب الكيميائي الفريد والخصائص الفيزيائية للمادة انتقائية الغشاء واستقراره، مما يسمح لغشاء RO بالحفاظ على الأداء الجيد في بيئة مياه البحر المعقدة. يعزز التشكل المعقد للسطح المجهري قدرة الغشاء على الفصل والأداء المضاد للتلوث.
وفي عملية التحلية الفعلية، تتعاون هذه العناصر البنيوية الدقيقة مع بعضها البعض وتعمل معًا. عندما تتدفق مياه البحر إلى غشاء RO تحت الضغط، أولاً وقبل كل شيء، يتم اعتراض الملح والشوائب في البداية على سطح الغشاء بسبب الاختلاف الكبير في الحجم ومسام الغشاء. بعد ذلك، تعمل الخصائص الكيميائية للمادة وتوزيع الشحنة السطحية على امتصاص أو طرد الملح والشوائب، مما يمنعها من المرور عبر مسام الغشاء. وفي الوقت نفسه، تنتشر جزيئات الماء وتهاجر في التضاريس المعقدة لسطح الغشاء، وتجد وتمر عبر مسام الغشاء، وتحقق الانتقال من مياه البحر إلى المياه العذبة.