פריצת דרך תלת מימדית של ננוטק מציעה מים נקיים מטוהרים באור השמש

כל מי שיש לו גישה למי שתייה בטוחים ונקיים הוא אחד האתגרים הגדולים העומדים בפני העולם כיום.

בערך מחצית מאוכלוסיית העולם, על פי דו"ח פיתוח המים העולמי של האו"ם לשנת 2024, חווה מחסור חמור במים לפחות חלק מהשנה. גירעונות מים היו למעשה קשור לעלייה של 10% בהגירה העולמית.

רמות נמוכות של טיפול בשפכים גורמות לאיכות מים ירודה במדינות בעלות הכנסה נמוכה, ואילו נגר מחקלאות מהווה בעיה גדולה במדינות בעלות הכנסה גבוהה יותר.

בינתיים, הביקוש למי שתייה נקיים ממשיך לעלות ככל שאוכלוסיית העולם גדלה. גידול מהיר של אוכלוסייה, עיור וצרכי ​​המים הגוברים ממגזרי אנרגיה, חקלאות ותעשייה תורמים לביקוש הגובר למים.

עם זאת, נתונים מצביעים על כך שלמיליארדי אנשים לא תהיה גישה למים בטוחים, תברואה והיגיינה בשנת 2030. בשנת 2022, ל-703 מיליון איש לא היה שירות מים בסיסי, בעוד שמספר גבוה בהרבה, 2.2 מיליארד, חסרים מי שתייה מנוהלים בבטחה.

בתוך כך, זמינות המים הופכת פחות צפויה, בעוד שמחסור במים צפוי לעלות עם עליית הטמפרטורות העולמיות עקב שינויי אקלים. משאבי המים נמצאים גם בסיכון מזיהום ומחלות הנישאות במים.

האתגר של שפכים לא מטופלים

רוב מכריע של הפסולת התעשייתית, לפי האומות המאוחדות, מושלכת למדינות מתפתחות מבלי לטפל במלואה.

בינתיים, רק חלק קטן ממי השפכים בעולם מטופל כראוי. לפי האו"ם, ניתן לחשב את ההצעה הכוללת של שפכים ברמת טיפול מסוימת רק עבור 73 מדינות (42% מאוכלוסיית העולם), מתוך 107 מדינות (73% מאוכלוסיית העולם) שדיווחו על סטטיסטיקות שפכים לשנת 2022.

הדיווח על טיפול בשפכים תעשייתיים מוגבל ביותר, כאשר נתונים מדווחים רק מ-22 מדינות (8% מאוכלוסיית העולם), שבהן דווח על טיפול של 38% בלבד מהשפכים התעשייתיים. יתרה מכך, רק 27% מהשפכים טופלו בבטחה.

באשר לשפכים ביתיים (ביתיים), 42% לא טופלו בצורה בטוחה. הסיבה העיקרית לכך הייתה היעדר מערכת מתאימה לאיסוף מים אפורים ומים שחורים.

מי שפכים הם מים הנוצרים לאחר שימוש ביתי, תעשייתי ומסחרי במים גולמיים, מים מתוקים או מי שתייה. הוא מכיל חומרים שונים שעלולים להזיק למערכות אקולוגיות ולבריאות האדם. 

חומרים כמו מתכות כבדות, מזהמים אורגניים ואי-אורגניים, פתוגנים והזרמה תעשייתית, בין היתר, המוכנסים למים אינם מפורקים באופן טבעי, כלומר הם נמשכים בסביבה.

ואז יש מזהמים מתעוררים, כולל חומרי ניקוי, כימיקלים תעשייתיים, תרופות, ציאנוטוקסינים, הורמונים, חומרים פר-ופולי-פלואורואלקיל (PFAS), וננו-חומרים, שגורמים להרס.

חדשנות טכנולוגית יכולה לספק אפשרויות טיפול בעלות ביצועים גבוהים, כדי להבטיח מספיק מים נקיים וזולים לכולם.

חלק מהחידושים הללו בטיהור מים כוללים טכנולוגיות ממברנות מתקדמות כגון אוסמוזה הפוכה (RO), אולטרה סינון (UF) וזיקוק ממברנה במגע ישיר (DCMD).

מסננים המונעים על ידי שמש להשתמש באנרגיה סולארית להנגיש מים נקיים באזורים מרוחקים. טכנולוגיות מתפתחות כמו קרישה אלקטרו, תאי דלק מיקרוביאליים ותהליכי חמצון מתקדמים גם עוזרות לשפר את איכות המים.

חידוש טכנולוגי נוסף המניע את טיהור המים הוא הננוטכנולוגיה, המציעה הסרה יעילה של מזהמים וחיידקים. 

ננוטכנולוגיה לטיפול יעיל במים

שיטות קונבנציונליות לחיטוי מים הן יעילות ביותר, וככאלה, נמצאות בשימוש נרחב, אך יש להן חסרונות משלהן. למשל, בהכלרה, קיים סיכון להיווצרות תוצרי לוואי מזיקים לחיטוי. קרינה אולטרה סגולה, בינתיים, זקוקה לתשומות אנרגיה משמעותיות ויש לה יעילות מוגבלת נגד חיידקים מסוג E. coli עמיד לטטרציקלין.

במטרה לשפר את תהליכי הטיפול במים, מדענים עשו התקדמות טכנולוגית שהובילה לשימוש בננוטכנולוגיה בטיהור מים לשתייה בטוחה.

ננוטכנולוגיה כרוכה במניפולציה מכוונת של חומר בקנה מידה קטן באמת, ויש לה פוטנציאל למלא תפקיד מפתח במתן אפשרות לניהול מים משולב כדי להגביר את יעילות הטיפולים ואף להרחיב את אספקת המים באמצעות מקורות מים לא קונבנציונליים. 

כדי להגביר את הגישה למי שתייה נקיים ובטוחים, ננוטכנולוגיה מטפלת במי תהום, מים עיליים ומי שפכים באמצעות ננו-חומרים חדשניים. חלק מההתקדמות בננוטכנולוגיה המשמשת לטיפול בשפכים כוללות ננו-חלקיקים מגנטיים, ננו-חלקיקים ביו-אקטיביים, ננו-פילטרציה, סופחי ננו, ננו-זרזים, ננו-אבקה, ננו-ביוצידים וננו-סיבים.

מדענים הוכיחו באופן פופולרי את השימוש בננו-צינוריות פחמן ובננו-צלולוזה לסינון מים. שיטות אלו מסירות מתכות כבדות רעילות מהמים, מונעות כניסת מפגעים ביולוגיים וכימיים למים וסופחות מזהמים מזרמי המים. אֲפִילוּ נעשה שימוש בננו-חלקיקי זהב לנקות מים ממזהמים כמו חומרי הדברה ותרופות.

בעוד שננוטק מציעה פתרונות מבטיחים למי שתייה נקיים, היא עומדת בפני סיכונים בריאותיים וסביבתיים פוטנציאליים מננו-חומרים וקשיים גדולים עוד יותר בייצור ובעלות בקנה מידה גדול, ומכאן היישום המוגבל. 

כעת, חוקרים מאוניברסיטת אוהיו סטייט מציעים שיטה חדשה לטיהור מי שתייה: שמיכות ננו-טק תלת מימדיות. 

עשויים מננו-סיבי טיטניום דו חמצני (TiO₂), הם רותמים את אור השמש כדי לפרק מזהמים מזיקים במים ולייצר אנרגיה בת קיימא. הם אינם מייצרים תוצרי לוואי רעילים, ולצוות יש את הכלים להגדיל אותם מבחינה מסחרית.

שיטה חדשה לטיהור מי שתייה

במחקר האחרון, שנתמך על ידי הקרן הלאומית למדע, חוקרים יצרו חומר חדש לטיהור מים על ידי הסרת מזהמים מסוכנים.

החומר החדש פותח על ידי שילוב של שתי שיטות - ג'לים כימיה רכים ושילוב אלקטרוספינינג.

באלקטרוספינינג, שיטת ייצור סיבים, מופעל כוח חשמלי על תמיסה ליצירת ננו-סיבים. שיטה זו משמשת בדרך כלל להכנת ננו-סיבים ארוכים ורציפים. הצוות פיתח רצועות דקות דמויות סיבים של טיטניום דו חמצני בדרך זו.

טיטניום דו חמצני (TiO₂) הוא תרכובת אנאורגנית המשמשת בדרך כלל בחיישני גז, תאים סולאריים, פוטוקטליזה וטכנולוגיות ניקוי עצמי.

בעוד שהתרכובת היא מקור חלופי נהדר לאנרגיה, מערכות דלק סולאריות המשתמשות בננו-חלקיקים שלה מוגבלות בדרך כלל בהספק. הסיבה לכך היא שהם יכולים לעבור פוטו-קטליזה רק על ידי קליטת אור אולטרה-סגול שאינו נראה לעין (UV), וכתוצאה מכך יעילות נמוכה ודורשת מערכות סינון מורכבות היוצרות אתגרים ביישום שלהן. 

יתר על כן, אורך החיים הקצר של האלקטרונים והחורים הנוצרים בפוטו בננו-חלקיקי TiO₂ חוסם את השימוש האפקטיבי שלהם, בעוד שהיעדר ננו-מבנה הניתן לשחזור בקלות נותר אתגר.

מחקרים שונים חקרו סימום אותו עם יוני מתכת שונים כגון Ag (כסף), Fe (ברזל), Pd (פלדיום), Pt (פלטינה), Zn (אבץ), Mn (מנגן), B (בורון) ו-Zr (זירקוניום) כדי להתגבר על מגבלות אלו ולהגביר את התכונות הפוטוקטליטיות של טיטניום דו חמצני.

אבל נחושת (Cu) היא שהראתה הבטחה. הוספת המתכת הרכה הזו עם מוליכות תרמית וחשמלית גבוהה מאוד לחומר שינתה דברים. עם זאת, זה הצריך הפחתת פער הרצועות האופטי והגדלת היחס בין שטח הפנים לנפח של טיטאניה המסוממת ב-Cu כדי להשיג את הפעילות הפוטו-קטליטית הרצויה, מה שהוליד בעיות אחרות. 

לכן, החוקרים נאלצו לתכנן מערכת המספקת ננו-חלקיקי TiO2 יציבים מסוממים ב-Cu עם יחס שטח פנים לנפח גבוה באמצעות תהליכים מבוססי ננו-סיביים.

לחץ כאן כדי ללמוד כיצד התפלה באמצעות אנרגיה סולארית פותרת מחסור במים.

כלי לשיקום מים והפקת חשמל

המחקר, פורסם בכתב העת Advanced Science¹, פירט את המבנים החדשים שנוצרו, אשר נקראים מחצלות ננו. מחצלות ננו אלו יכולות לספוג מספיק אנרגיית אור כדי לפרק מזהמים מסוכנים באוויר ובמים.

לדברי מחברת המחקר הראשית פלאגיה-אירן גומה, שהיא פרופסור למדעי החומרים והנדסה באוניברסיטת אוהיו סטייט:

"לא הייתה דרך קלה ליצור משהו כמו שמיכה שאתה יכול להניח על המים ולהתחיל ליצור אנרגיה. אבל אנחנו היחידים שיצרו את המבנים האלה והיחידים שהוכיחו שהם באמת עובדים".

מה שהוספת נחושת עשתה לטיטניום דו-חמצני היה שהיא דחפה את תהליך השמדת המזהמים.

בתהליך זה, כאשר TiO₂ סופג אור, נוצרים אלקטרונים אשר מחמצנים מים ותוקפים מזהמים, אשר נהרסים עד שהם הופכים שפירים. 

כדי לקבוע את היעילות הגבוהה של החומר החדש, החוקרים אפיינו את המאפיינים המעודכנים של מחצלת הננו. זה עזר להם להבין איך הוא התנהג ומה בדיוק הבדל אותו מננו-חלקיקים אחרים המנקים את עצמם.

חוקרים גילו שכאשר הם נחשפים לאור שמש טבעי, מחצלות ננו אלו יכולות להצליח יותר בייצור חשמל מאשר תאים סולאריים מסורתיים.

"ננומטים אלה יכולים לשמש כמחולל חשמל, או ככלי לשיקום מים. בשני המובנים, יש לך זרז עם היעילות הגבוהה ביותר שדווחה עד כה."

– גומה

יתרה מכך, שטיחי הסיבים הללו הם קלים, קלים להסרה ויכולים לצוף ולעבוד מעל כל גוף מים. הם גם ניתנים לשימוש חוזר ויכולים לעבור מחזורי ניקוי מרובים. 

בהתחשב ביעילות הגבוהה של הננו-מטים הללו, חוקרים רואים את השימוש בהם בסילוק מזהמים תעשייתיים מהמים במדינות מתפתחות והפיכת נהרות ואגמים מזוהמים למקורות של מי שתייה נקיים.

נוסף על כך, העובדה שהטכנולוגיה הזו אינה מייצרת תוצרי לוואי רעילים הופכת את הננומטים לידידותיים לסביבה.

"זה חומר בטוח, זה לא יפגע בכלום, והוא נקי ככל שניתן." 

– גומה

באשר למסחור של טכנולוגיה יעילה זו, שלצוות יש את הכלים המתאימים לה, הדבר תלוי בתעשיות שיתייחסו לכך.

"יש לנו את הכלים לייצר אותם בכמויות גדולות ולתרגם אותם לתעשיות שונות. המגבלה היחידה היא שהוא צריך מישהו שינצל את המשאבים השופעים האלה".

– גומה

בסך הכל, הצוות מאמין בפוטנציאל של מחצלות הננו. אפשר היה להתרגל אליהם לספק מי שתייה נקיים במפעלי טיפול במים, באזורים מרוחקים ומאמצי סיוע באסונות. בהתאם לבדיקות נוספות וליכולת הרחבה, יישומים מסחריים עשויים להופיע בתוך 3 עד 5 שנים.

הצוות מאמין כי מחצלות ננו אלו יכולות להיות גם כלים מבטיחים ביישומים פוטו-קטליטיים עתידיים רבים. אלה כוללים מאמצי קיימות ארוכי טווח כמו ייצור מימן מונע סולארי ושיקום סביבתי.

לעת עתה, הצוות עובד על דרכים לקדם את החומר, שהוא חדש לחלוטין. צורה חדשה זו של ננוטכנולוגיה, אמר גומה, היא "ממש מרשימה ומשהו שאנחנו מאוד נרגשים ממנו".

חברה חדשנית

Xylem בע"מ (XYL -0.49%) 

Xylem, מובילה עולמית בטכנולוגיית מים, מפתחת פתרונות חדשניים לטיהור וטיפול במים, מה שהופך אותה למועמדת חזקה לשילוב מערכות טיהור מים מבוססות ננו-טכנולוגיה.

החברה מציעה מוצרים במגוון יישומים, לרבות מים, משאבות מים, ציוד טיפול, משאבות, שסתומים ומחלפי חום. הוא גם מספק מכשור אנליטי לבדיקות מים ופתרונות לשימוש ושימור מושכל של משאבי מים ואנרגיה קריטיים.

בכל הנוגע לטיפול בשפכים, Xylem מספקת תהליך ביולוגי הנקרא טיפול אירובי, המתרחש בנוכחות חמצן וממיר חומרים אורגניים לפחמן דו חמצני ולביומסה חדשה. אחר כך ישנו טיפול אנאירובי בשפכים, המתרחש בהיעדר חמצן, שבו מיקרואורגניזמים מפרקים פסולת אורגנית. הוא משמש בדרך כלל לטיפול בשפכים תעשייתיים חמים וחזקים עם כמות גדולה של חומרים אורגניים מתכלים.

Xylem מציעה גם פתרון דיגיטלי לניהול מים בשם Water One® המייעל את מערכת הטיפול במים שלך ליעילות רבה יותר.

מערכות החיטוי של החברה מוצעות ליישומי מים עירוניים, תעשייתיים ונופשיים. הם כוללים מנתחים ובקרי תהליכים, ציוד לייצור כלור דו חמצני, מערכות הזנת גז, מערכות אוזון, מערכות לייצור היפוכלוריט, מערכות חיטוי אולטרה סגול ועוד. 

מערכות המים בטוהר הגבוהות שלה, בינתיים, מטפלות במים במספר שלבים כדי לעזור לך לעמוד בתקני האיכות עבור יישומים קריטיים בתעשיות מעבדה, בריאות, תרופות ומוליכים למחצה.

פתרונות הסינון של Xylem מכסים בינתיים הכל, החל מסנני מדיה רגנרטיביים, מסנני דיסקים, מסנני חול, מסנני מיקרו-חול ביעילות גבוהה ומסנני לחץ ועד ממברנות אוסמוזה הפוכה, משאבות ברגים, מערכות UF, מיקרו סינון, מערכות בקרת ריחות פאזי אדים ומרככי מים. זה מציע מגוון רחב של אפשרויות לשימוש פנאי ותעשייתי כמו גם לבריכות שחייה וטיהור שפכים שלישוני עבור עיריות. 

כעת, Xylem היא חברת שווי שוק של 29.65 מיליארד דולר, שמניותיה, נכון לכתיבת שורות אלו, נסחרות ב-122.02 דולר, עלייה של 5.17% ב-YTD. זֶה יש EPS (TTM) של 3.65, יחס P/E (TTM) של 33.40, ו-ROE (TTM) של 8.55%. החברה מחלקת תשואת דיבידנד של 1.31%.

באשר לכלכלה הפיננסית של החברה, ברבעון הרביעי של 4 היא דיווחה על עלייה של 2024% בהכנסות ל-7 מיליארד דולר, בעוד שההזמנות היו 2.3 מיליארד דולר. הרווח למניה ברבעון עמד על 2.2 דולר, עלייה של 1.34%, והגיע ל-22 דולר על בסיס מתואם, עלייה של 1.18%.

"הצוות סיפק רבעון רביעי חזק כדי לסגור שנה שוברת שיא עבור Xylem. כל המגזרים סיפקו צמיחה חזקה בהזמנות ברבעון הרביעי, והעניקו לנו מומנטום לקראת 4 על ביקוש בסיס עמיד".

- המנכ"ל מתיו פיין

הרווח הנקי ברבעון עמד על 326 מיליון דולר, והרווח הנקי המתואם עמד על 287 מיליון דולר. Xylem הגדילה את הדיבידנד ברבעון הראשון שלה ב-11% ל-0.40 דולר למניה, ששולם לבעלי המניות החודש.

עבור שנת 2024 כולה, ההכנסות היו 8.6 מיליארד דולר, עלייה של 16%. הרווח למניה עמד על 3.65 דולר, עלייה של 31% ו-4.27 דולר על בסיס מתואם, עלייה של 13%.

במשך השנה כולה, התחזית של Xylem היא הכנסות בין 8.6 ל-8.7 מיליארד דולר, ושולי התזרים החופשי צפויים להיות בין 9 ל-10 אחוזים.

החברה צופה שהרווח שלה למניה לשנה זו יהיה בטווח של 4.50 עד 4.70 דולר. לפי אורן:

"ההנחיות שלנו לשנת 2025 משקפות את המחויבות של הצוות למסגרת ארוכת הטווח שלנו כאשר אנו ממשיכים לאפשר ללקוחותינו להתמודד עם אתגרי המים הגדולים בעולם". 

האחרון על Xylem Inc.

סיכום

העולם מתמודד עם משבר מים עם מיליונים חסרי גישה למי שתייה בטוחים ותברואה. מחסור במים זה תוצאה של גידול באוכלוסייה, זיהום, ניצול יתר ושינויי אקלים. המצב צפוי להחמיר עוד יותר בשנים הקרובות, וליצור צורך בפתרונות חסכוניים ויעילים יותר להתמודדות עם הנושא.

טיפול בשפכים הוא אסטרטגיה חיונית כזו שיכולה לסייע בהפחתת המחסור במים על ידי שיפור איכות המים, הגדלת הגישה למים, הפחתת ההסתמכות על מקורות מים מתוקים והפיכת המים למשאב בר-קיימא יותר.

הננוטכנולוגיה הבטיחה מזמן לחולל מהפכה בטיהור מים, אך היא עדיין לא זכתה לאימוץ נרחב. לכן, הפיתוח של שמיכות ננוטק תלת מימדיות מהווה פריצת דרך משמעותית. שמיכות אלו מנצלות את אור השמש כדי להסיר מזהמים תוך הפקת אנרגיה בת קיימא.

טבעם הקל משקל והשימוש החוזר של מחצלות הננו הללו, בשילוב עם היעדר תוצרי לוואי רעילים, הופך אותם לחלופה ידידותית לסביבה לשיטות סינון קונבנציונליות. ככל שתעשיות שמים לב, הטכנולוגיה החדשנית הזו יכולה להגדיר מחדש את האופן שבו אנו ניגשים לטיפול במים ברחבי העולם. מסחור מוצלח, בינתיים, יענה על צורכי מי השתייה הנקיים והבטוחים של מאות מיליוני אנשים ברחבי העולם!

לחץ כאן לרשימה של מניות ננוטכנולוגיה מובילות.