اختراق تقنية النانو ثلاثية الأبعاد يوفر مياه نظيفة مُنقاة بواسطة ضوء الشمس

الوصول إلى مياه شرب آمنة ونظيفة للجميع هو أحد التحديات الكبرى التي تواجه العالم اليوم.

حوالي نصف سكان العالم، وفقًا لتقرير التنمية المائية للأمم المتحدة لعام 2024، يعانون من شح شديد في المياه لجزء من العام على الأقل. مرتبط بزيادة بنسبة 10٪ في الهجرة العالمية.

انخفاض مستويات معالجة مياه الصرف الصحي يسبب جودة مياه رديئة في الدول منخفضة الدخل، بينما تشكل جريان المياه من الزراعة مشكلة كبيرة في الدول ذات الدخل المرتفع.

في الوقت نفسه، يستمر الطلب على مياه الشرب النظيفة في الارتفاع مع زيادة عدد سكان العالم. يساهم النمو السكاني السريع، والتحضر، والاحتياجات المتزايدة للمياه من قطاعات الطاقة والزراعة والصناعة في ارتفاع الطلب على المياه.

مع ذلك، تشير البيانات إلى أن مليارات الأشخاص سيعانون من نقص الوصول إلى مياه آمنة وصرف صحي ونظافة بحلول عام 2030. في عام 2022، 703 مليون شخص لم يحصلوا على خدمة مياه أساسية، بينما عدد أكبر بكثير، 2.2 مليار، كانوا يفتقرون إلى مياه شرب مُدارة بأمان.

في ظل ذلك، تصبح توفر المياه أقل توقعًا، بينما من المتوقع أن يتصاعد نقص المياه مع ارتفاع درجات الحرارة العالمية بسبب تغير المناخ. كما تتعرض موارد المياه للخطر بسبب التلوث والأمراض المنقولة بالمياه.

تحدي مياه الصرف غير المعالجة

وفقًا للأمم المتحدة، يتم التخلص من الغالبية العظمى من النفايات الصناعية في الدول النامية دون معالجتها بالكامل.

في الوقت نفسه، تُعالج نسبة ضئيلة فقط من مياه الصرف الصحي في العالم بشكل كافٍ. وفقًا للأمم المتحدة، يمكن حساب نسبة تلقي جميع مياه الصرف مستوى من المعالجة فقط في 73 دولة (42٪ من سكان العالم)، من أصل 107 دول (73٪ من سكان العالم) التي أبلغت عن إحصاءات مياه الصرف لعام 2022.

التقارير عن معالجة مياه الصرف الصناعي محدودة للغاية، حيث تم الإبلاغ عن البيانات فقط من 22 دولة (8٪ من سكان العالم)، حيث تم الإبلاغ عن معالجة 38٪ فقط من مياه الصرف الصناعي. علاوة على ذلك، تم معالجة 27٪ فقط من مياه الصرف بأمان.

أما بالنسبة لمياه الصرف المنزلي (المنزلية)، فلم تُعالج 42٪ بأمان. السبب الرئيسي لذلك هو عدم وجود نظام مناسب لجمع المياه الرمادية والسوداء.

مياه الصرف هي المياه التي تُنتج بعد الاستخدام المنزلي أو الصناعي أو التجاري للمياه الخام أو المياه العذرة أو مياه الشرب. وتحتوي على مواد مختلفة قد تكون ضارة بالأنظمة البيئية وصحة الإنسان.

المواد مثل المعادن الثقيلة، والملوثات العضوية وغير العضوية، والعوامل الممرضة، والتصريف الصناعي، وغيرها، التي تُدخل إلى المياه لا تتحلل طبيعيًا، مما يعني أنها تبقى في البيئة.

ثم هناك الملوثات الناشئة، بما في ذلك المنظفات، والمواد الكيميائية الصناعية، والأدوية، والسموم السيانوبكتيرية، والهرمونات، والمواد الفلوروكربونية المتعددة (PFAS)، والنانومواد، التي تسبب الفوضى.

يمكن للابتكار التكنولوجي أن يوفر خيارات معالجة عالية الأداء ومنخفضة التكلفة لضمان مياه نظيفة ورخيصة كافية للجميع.

تشمل بعض هذه الابتكارات في تنقية المياه تقنيات الأغشية المتقدمة مثل التناضح العكسي (RO)، والترشيح الفائق (UF)، وتقطير الغشاء بالاتصال المباشر (DCMD).

الفلاتر التي تعمل بالطاقة الشمسية تستخدم الطاقة الشمسية لجعل المياه النظيفة متاحة في المناطق النائية. كما تساعد التقنيات الناشئة مثل الترسيب الكهربائي، وخلايا الوقود الميكروبية، وعمليات الأكسدة المتقدمة في تحسين جودة المياه.

ابتكار تكنولوجي آخر يدفع عملية تنقية المياه هو تقنية النانو، التي توفر إزالة فعّالة للملوثات والجراثيم.

تقنية النانو لمعالجة المياه بفعالية

طرق تعقيم المياه التقليدية فعّالة للغاية، وبالتالي تُستخدم على نطاق واسع، لكنها لها عيوبها الخاصة. على سبيل المثال، في عملية الكلور، هناك خطر تكوّن منتجات ثانوية ضارة للتعقيم. أما الأشعة فوق البنفسجية، فتحتاج إلى مدخلات طاقة كبيرة وتتمتع بفعالية محدودة ضد مثل بكتيريا الإشريكية القولونية المقاومة للتتراسيكلين.

في محاولة لتحسين عمليات معالجة المياه، حقق العلماء تقدمًا تكنولوجيًا أدى إلى استخدام تقنية النانو في تنقية المياه لتوفير شرب آمن.

تقنية النانو تنطوي على التلاعب المتعمد بالمادة على مقياس صغير جدًا، ولها القدرة على لعب دور رئيسي في تمكين إدارة المياه المتكاملة لزيادة فعالية المعالجات وحتى توسيع إمدادات المياه باستخدام مصادر غير تقليدية.

لزيادة الوصول إلى مياه شرب نظيفة وآمنة، تعالج تقنية النانو المياه الجوفية ومياه السطح ومياه الصرف باستخدام نانومواد مبتكرة. تشمل بعض التطورات في تقنية النانو المستخدمة لمعالجة مياه الصرف الجسيمات النانوية المغناطيسية، والجسيمات النانوية النشطة حيويًا، والترشيح النانوي، والمواد الماصة النانوية، والنانوتفاعلات، والمسحوق النانوي، والمواد الميكروبية النانوية، والألياف النانوية.

أظهر العلماء بشكل شائع استخدام أنابيب الكربون النانوية والنانوسيلولوز لتصفية المياه. تزيل هذه الطرق المعادن الثقيلة السامة من المياه، وتمنع المخاطر البيولوجية والكيميائية من دخول المياه، وتمتص الملوثات من تدفقات المياه. وحتى تم استخدام الجسيمات النانوية الذهبية لتنقية المياه من الملوثات مثل المبيدات الصيدلانية.

بينما تقدم تقنية النانو حلولًا واعدة لمياه الشرب النظيفة، فإنها تواجه مخاطر صحية وبيئية محتملة من النانومواد وصعوبات أكبر في الإنتاج على نطاق واسع والتكلفة، مما يحد من تنفيذها.

الآن، يقدم الباحثون في جامعة ولاية أوهايو طريقة جديدة لتنقية مياه الشرب: بطانيات نانو ثلاثية الأبعاد.

مصنوعة من ألياف نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂)، تستغل ضوء الشمس لتفكيك الملوثات الضارة في المياه وتوليد طاقة مستدامة. لا تُنتج منتجات ثانوية سامة، وللفريق الأدوات اللازمة لتوسيعها تجاريًا.

طريقة جديدة لتنقية مياه الشرب

في الدراسة الأخيرة، بدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم، أنشأ الباحثون مادة جديدة لتنقية المياه عن طريق إزالة الملوثات الخطرة.

تم تطوير المادة الجديدة من خلال دمج طريقتين — هلام الكيمياء اللينة والخلط عبر عملية التحليل الكهربائي.

في التحليل الكهربائي (electrospinning)، وهي طريقة لإنتاج الألياف، يُطبق القوة الكهربائية على محلول لإنشاء ألياف نانوية. تُستخدم هذه الطريقة عادةً لإعداد ألياف نانوية طويلة ومستمرة. طور الفريق شرائط رقيقة شبيهة بالألياف من ثاني أكسيد التيتانيوم بهذه الطريقة.

ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) هو مركب غير عضوي يُستخدم عادةً في حساسات الغاز، والخلايا الشمسية، والتحفيز الضوئي، وتقنيات التنظيف الذاتي.

بينما يُعد هذا المركب مصدرًا بديلًا رائعًا للطاقة، فإن أنظمة الوقود الشمسية التي تستخدم جسيماته النانوية عادةً ما تكون محدودة في القدرة. ذلك لأنها لا يمكنها إجراء التحفيز الضوئي إلا بامتصاص الضوء فوق البنفسجي غير المرئي، مما يؤدي إلى كفاءة منخفضة ويتطلب أنظمة ترشيح معقدة تُشكل تحديات في تنفيذها.

علاوة على ذلك، فإن العمر القصير للإلكترونات والثقوب المتولدة ضوئيًا في جسيمات TiO₂ النانوية يعيق استخدامها الفعّال، بينما يظل نقص بنية نانوية ذاتية الدعم وسهلة الاسترداد تحديًا.

استكشفت دراسات متعددة إضافة شوائب من أيونات معدنية مختلفة مثل Ag (الفضة)، Fe (الحديد)، Pd (البلاديوم)، Pt (البلاتين)، Zn (الزنك)، Mn (منغنيز)، B (البورون)، وZr (الزركونيوم) لتجاوز هذه القيود وتعزيز خصائص التحفيز الضوئي لثاني أكسيد التيتانيوم.

لكن النحاس (Cu) هو الذي أظهر واعدًا. إضافة هذا المعدن اللين ذو التوصيل الحراري والكهربائي العالي إلى المادة غيرت الأمور. ومع ذلك، تطلب ذلك تقليل فجوة الطاقة البصرية وزيادة نسبة مساحة السطح إلى الحجم في التيتانيوم المضاف بالنحاس للحصول على النشاط التحفيزي الضوئي المرغوب، مما أدى إلى مشاكل أخرى.

لذا، اضطر الباحثون إلى تصميم نظام يوفر جسيمات TiO₂ المضافة بالنحاس مستقرة مع نسبة عالية من مساحة السطح إلى الحجم عبر عمليات تعتمد على الألياف النانوية.

انقر هنا لتعرف كيف تحل التحلية التي تعمل بالطاقة الشمسية مشكلة نقص المياه.

أداة لمعالجة المياه وتوليد الطاقة

الدراسة، نُشرت في مجلة Advanced Science¹، تفصّلت في الهياكل الجديدة الناتجة، والتي تُسمى الحصائر النانوية. يمكن لهذه الحصائر النانوية امتصاص كمية كافية من طاقة الضوء لتفكيك الملوثات الخطرة في الهواء والماء.

«لم يكن هناك طريقة سهلة لإنشاء شيء مثل بطانية يمكنك وضعها على الماء وبدء توليد الطاقة. لكننا الوحيدون الذين صمموا هذه الهياكل والوحيدون الذين أظهروا أنها تعمل فعليًا.»

ما فعله إضافة النحاس إلى ثاني أكسيد التيتانيوم هو أنه عَزّز عملية تدمير الملوثات.

تحت هذه العملية، عندما يمتص TiO₂ الضوء، تتشكل إلكترونات تقوم بأكسدة الماء ومهاجمة الملوثات، التي تُدمَر حتى تصبح غير ضارة.

لتحديد الفعالية العالية للمادة الجديدة، قام الباحثون بوصف الخصائص المحدثة للحصيرة النانوية. ساعدهم ذلك على فهم سلوكها وما الذي يجعلها مختلفة عن الجسيمات النانوية ذاتية التنظيف الأخرى.

اكتشف الباحثون أنه عندما تُعرض لأشعة الشمس الطبيعية، يمكن لهذه الحصائر النانوية أن تكون أكثر نجاحًا في توليد الطاقة مقارنةً بالخلايا الشمسية التقليدية.

«يمكن استخدام هذه الحصائر النانوية كمولد طاقة، أو كأدوات لمعالجة المياه. في كلا الحالتين، لديك محفز بأعلى كفاءة تم الإبلاغ عنها حتى الآن.»

– Gouma

علاوة على ذلك، فإن هذه الحصائر الليفية خفيفة الوزن، وسهلة الإزالة، ويمكنها الطفو والعمل فوق أي مسطح مائي. كما أنها قابلة لإعادة الاستخدام ويمكنها خوض عدة دورات تنظيف.

نظرًا للفعالية العالية لهذه الحصائر النانوية، يرى الباحثون استخدامها في إزالة الملوثات الصناعية من المياه في الدول النامية وتحويل الأنهار والبحيرات الملوثة إلى مصادر مياه شرب نظيفة.

بالإضافة إلى ذلك، فإن حقيقة أن هذه التقنية لا تُنتج أي منتجات ثانوية سامة تجعل الحصائر النانوية صديقة للبيئة.

«إنها مادة آمنة، لن تضر بأي شيء، وهي نظيفة قدر الإمكان.»

– Gouma

فيما يتعلق بتسويق هذه التقنية الفعّالة، التي يمتلك الفريق الأدوات المناسبة لها، فإن ذلك يعتمد على انتباه الصناعات لها.

«لدينا الأدوات اللازمة لإنتاجها بكميات كبيرة وتطبيقها في مختلف الصناعات. القيد الوحيد هو الحاجة إلى شخص يستغل هذه الموارد الوفيرة.»

– Gouma

بشكل عام، يعتقد الفريق في إمكانات الحصائر النانوية. يمكن استخدامها لتوفير مياه شرب نظيفة في محطات معالجة المياه، والمناطق النائية، وجهود الإغاثة في الكوارث. اعتمادًا على المزيد من الاختبارات وقابلية التوسع، قد تظهر تطبيقات تجارية خلال 3 إلى 5 سنوات.

يعتقد الفريق أن هذه الحصائر النانوية قد تكون أيضًا أدوات واعدة في العديد من التطبيقات المستقبلية للتحفيز الضوئي. تشمل هذه الجهود الاستدامة طويلة الأمد مثل إنتاج الهيدروجين المدفوع بالطاقة الشمسية ومعالجة البيئة.

في الوقت الحالي، يعمل الفريق على طرق لتطوير المادة، التي تُعد جديدة تمامًا. هذه الشكل الجديد من تقنية النانو، وفقًا لجومه، هو «مثير للإعجاب حقًا وشيء نحن متحمسون له كثيرًا».

شركة مبتكرة

Xylem Inc. (XYL ) 

تُعد Xylem رائدة عالميًا في تكنولوجيا المياه، وتطوّر حلولًا مبتكرة لتنقية ومعالجة المياه، مما يجعلها مرشحًا قويًا لتكامل أنظمة تنقية المياه القائمة على تقنية النانو.

تقدم الشركة منتجات عبر مجموعة من التطبيقات، بما في ذلك المياه، ومضخات المياه، ومعدات المعالجة، والمضخات، والصمامات، ومبادلات الحرارة. كما توفر أدوات تحليلية لاختبار المياه وحلولًا للاستخدام الذكي والحفاظ على الموارد المائية والطاقة الحيوية.

فيما يتعلق بمعالجة مياه الصرف، تقدم Xylem عملية بيولوجية تُسمى المعالجة الهوائية، التي تحدث بوجود الأكسجين وتحوّل المواد العضوية إلى ثاني أكسيد الكربون وكتلة حيوية جديدة. ثم هناك المعالجة اللاهوائية لمياه الصرف، التي تحدث في غياب الأكسجين، حيث تقوم الكائنات الدقيقة بتحليل النفايات العضوية. تُستخدم عادةً لمعالجة مياه الصرف الصناعي الدافئة ذات القوة العالية التي تحتوي على كمية كبيرة من المواد العضوية القابلة للتحلل.

كما تقدم Xylem حلًا رقميًا لإدارة المياه يُدعى Water One® الذي يُحسّن نظام معالجة المياه لتحقيق كفاءة أعلى.

تُقدم أنظمة التعقيم الخاصة بالشركة لتطبيقات المياه البلدية والصناعية والترفيهية. وتشمل المحللات ووحدات التحكم في العملية، ومعدات توليد ثاني أكسيد الكلور، وأنظمة تغذية الغاز، وأنظمة الأوزون، وأنظمة توليد الهيبوكلوريت، وأنظمة التعقيم بالأشعة فوق البنفسجية، وغيرها.

في الوقت نفسه، تعالج أنظمة المياه عالية النقاء المياه عبر عدة مراحل لمساعدتك على تحقيق معايير الجودة للتطبيقات الحيوية في المختبرات والرعاية الصحية والصناعات الصيدلانية وصناعة أشباه الموصلات.

تشمل حلول الترشيح الخاصة بـ Xylem كل شيء من فلاتر الوسائط المتجددة، وفلاتر الأقراص، وفلاتر الرمل، وفلاتر الميكروسند عالية الكفاءة، وفلاتر الضغط إلى أغشية التناضح العكسي، ومضخات اللولب، وأنظمة الترشيح الفائق (UF)، والترشيح الدقيق، وأنظمة التحكم في الروائح في مرحلة البخار، ومُنعّمات المياه. وهذا يوفر مجموعة واسعة من الخيارات للاستخدام الترفيهي والصناعي وكذلك لأحواض السباحة ومعالجة مياه الصرف الثانوية للبلديات.

الآن، Xylem هي شركة ذات قيمة سوقية تبلغ 29.65 مليار دولار، وأسهمها، في وقت كتابة هذا، تُتداول عند 122.02 دولار، بارتفاع 5.17٪ منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (TTM) قدرها 3.65، ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) تبلغ 33.40، وعائد حقوق الملكية (ROE) (TTM) بنسبة 8.55٪. تدفع الشركة عائد توزيعات بنسبة 1.31٪.

فيما يتعلق بالبيانات المالية للشركة، في الربع الرابع من عام 2024، أبلغت عن زيادة بنسبة 7٪ في الإيرادات لتصل إلى 2.3 مليار دولار، بينما بلغت الطلبات 2.2 مليار دولار. كان ربح السهم للربع 1.34 دولار، بارتفاع 22٪، وبلغ 1.18 دولار على أساس معدل، بارتفاع 19٪.

«قدّم الفريق ربعًا رابعًا قويًا لإنهاء عام قياسي لشركة Xylem. جميع القطاعات حققت نموًا قويًا في طلبات الربع الرابع، مما يمنحنا زخمًا مع دخولنا عام 2025 بفضل الطلب الأساسي المستقر.»

– الرئيس التنفيذي ماثيو باين

كان صافي الدخل خلال الربع 326 مليون دولار، وصافي الدخل المعدل 287 مليون دولار. زادت Xylem توزيعات أرباح الربع الأول بنسبة 11٪ إلى 0.40 دولار للسهم، والتي تم دفعها للمساهمين هذا الشهر.

للسنة الكاملة 2024، كان الإيراد 8.6 مليار دولار، بزيادة 16٪. كان ربح السهم 3.65 دولار، بارتفاع 31٪ و4.27 دولار على أساس معدل، بارتفاع 13٪.

للسنة بأكملها، تتوقع Xylem إيرادات تتراوح بين 8.6 و8.7 مليار دولار، ومن المتوقع أن تكون هوامش التدفق النقدي الحر بين 9 إلى 10٪.

تتوقع الشركة أن يكون ربح السهم لهذا العام في نطاق 4.50 إلى 4.70 دولار. وفقًا لبين:

«تُعكس توجيهاتنا لعام 2025 التزام الفريق بإطارنا طويل الأجل بينما نواصل تمكين عملائنا من معالجة أكبر تحديات المياه في العالم.»

آخر الأخبار عن Xylem Inc.

الخلاصة

العالم يواجه أزمة مياه مع ملايين الأشخاص يفتقرون إلى مياه شرب آمنة وصرف صحي. يرجع نقص المياه هذا إلى الزيادة السكانية، والتلوث، والاستغلال المفرط، وتغير المناخ. من المتوقع أن يزداد الوضع سوءًا في السنوات القادمة، مما يخلق حاجة إلى حلول فعّالة من حيث التكلفة وأكثر كفاءة لمعالجة المشكلة.

معالجة مياه الصرف هي إحدى الاستراتيجيات الحيوية التي يمكن أن تساعد في التخفيف من نقص المياه من خلال تحسين جودة المياه، وزيادة الوصول إلى المياه، وتقليل الاعتماد على مصادر المياه العذبة، وجعل المياه موردًا أكثر استدامة.

لقد وعدت تقنية النانو منذ زمن طويل بإحداث ثورة في تنقية المياه، لكنها لم تحظ بعد بالاعتماد الواسع. لذا، يمثل تطوير بطانيات النانو ثلاثية الأبعاد اختراقًا كبيرًا. تستخدم هذه البطانيات ضوء الشمس لإزالة الملوثات مع توليد طاقة مستدامة.

إن خفة وزن هذه الحصائر النانوية وقابليتها لإعادة الاستخدام، إلى جانب عدم وجود منتجات ثانوية سامة، يجعلها بديلاً صديقًا للبيئة عن طرق الترشيح التقليدية. مع ملاحظة الصناعات، قد تعيد هذه التقنية الجديدة تعريف نهجنا في معالجة المياه على مستوى العالم. في حين أن نجاح التسويق سيُلبي احتياجات مئات الملايين من الأشخاص حول العالم من مياه شرب نظيفة وآمنة!

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم تقنية النانو.