أصبح الهيدروجيل مادة واعدة في كثير من التطبيقات، إذ يمكن تطويعه للاستخدام في المجالات المتعلقة بالطاقة والبيئة، بما في ذلك التقنيات المستدامة لجمع وتنقية المياه. بيد أن العائق الحالي أمام نشر هذه التكنولوجيا هو معدل الإنتاج المنخفض.
وللتغلب على هذا التحدي، طوّر فريق من جامعة “برينستون” (Princeton University) بالولايات المتحدة هيدروجيلا سريع الاستجابة للتغير في درجات الحرارة، مستوحى في تصميمه من تركيب “لوف” (ليفة) الاستحمام الطبيعي.
هذا الهيدروجيل قادر على امتصاص المياه الملوثة من أي مصدر في درجات الحرارة العادية، ويعمل على تنقيتها بفعل الطاقة الشمسية، ومع رفع درجة الحرارة يمكنه تحرير مياه نقية في 10 دقائق فقط وحتى في ظروف الطقس الغائم، وبمعدل يكفي لتلبية الاحتياجات اليومية.
نتائج الدراسة نشرت في الثامن من فبراير/شباط الجاري في دورية “إيه سي إس سنترال ساينس” (ACS Central Science)، التي تصدرها الجمعية الكيميائية الأميركية.
مسامية عالية مستوحاة من لوف الاستحمام
اقترح الباحثون أن عملية التبخير المحفز بضوء الشمس قد تكون طريقة غير مكلفة اقتصاديا لتنقية المياه، غير أن هذه التقنية لا تعمل بكفاءة مقبولة عندما يكون الطقس غائما.
ويمكن أن يكون الهيدروجيل -على وجه التحديد- المستجيب للتغير في درجة الحرارة مثل الـ”بولي-إن-أيزوبروبيل أكريلاميد” (PNIPAm)، هو أحد الحلول للتغلب على هذه المشكلة والاستفادة من هذه التكنولوجيا لتحقيق الهدف السادس من أهداف الأمم المتحدة للتنمية المستدامة، وهو “ضمان توفر المياه النظيفة والنظافة الصحية للجميع”.
ويعد هذا البوليمر من أسهل البوليمرات المستجيبة للتغير في درجة الحرارة في التشغيل، حيث يمتص الماء في درجات الحرارة المنخفضة والمعتدلة ويحرره بسهولة فور رفعها. ومع ذلك فإن الـ”بولي-إن-أيزوبروبيل أكريلاميد” التقليدي، بسبب عدم توفره على مسامات، غير قادر على إنتاج كمية من المياه النقية تكفي احتياجات الفرد اليومية.
ولأنه من المثبت علميا العلاقة الطردية بين المسامية وتدفق السوائل، فقد كان الهدف هو تحضير مادة تتميز بالمسامية العالية ومقاومة الانسداد، وقد استوحى الباحثون هذا التصميم عالي المسامية والمتسع الفتحات من لوف الاستحمام الطبيعي؛ فصمم الفريق هيدروجيلا يقوم على بوليمر الـ”بولي-إن-أيزوبروبيل أكريلاميد” المستجيب للحرارة.
معدل إنتاج وتنقية غير مسبوق
كان لا بد من اختبار كفاءة اللوف البوليمري المحضر من الهيدروجيل للتأكد من مطابقته للمواصفات المطلوبة. فاختُبر أولا تحت تأثير مصدر شمسي صناعي، وثانيا لمعرفة مدى كفاءته في تنقية المياه من بعض الملوثات.
وأوضحت النتائج نجاح المادة الجديدة في امتصاص وتحرير 70% من الماء المستخدم في التجربة، مما يعني إنتاج الماء النقي بمعدل 4 مرات أعلى من معدل إنتاجية الهيدروجيل المرصود في الدراسات السابقة وفي 10 دقائق فقط.
اختُبر اللوف أيضا في ظل ظروف الإضاءة المنخفضة والسماء الملبدة جزئيا بالغيوم، واستغرقت عملية التنقية من 15 إلى 20 دقيقة حتى تحرر المادة كمية مماثلة من المياه.
وصرح الباحثون، بحسب البيان الصحفي المنشور على موقع “فيز دوت أورغ” (Phys.org)، بأنه بهذا المعدل فإن المادة الجديدة لديها القدرة على تلبية احتياجات الفرد اليومية.
ومن ثم اختُبر اللوف على عينات مياه ملوثة بالأصباغ العضوية والمعادن الثقيلة والزيت والجسيمات البلاستيكية الدقيقة. وأثبتت جميع الاختبارات كفاءة اللوف المصنع في تنقية المياه بكفاءة جيدة.
على سبيل المثال، تم اختبار كفاءة اللوف على عينات من الماء تحتوي على حوالي 40 جزءا في المليون من الكروم، وأكدت النتائج كفاءة الهيدروجيل المسامي في تنقية هذه المياه، حيث كان تركيز الكروم في الماء المنقى أقل من 0.07 جزء في المليون، أي أقل من الحد المسموح به من الكروم لمياه الشرب.
يقول الفريق البحثي أيضا إن التركيب اللوفي للهيدروجيل الفريد الذي تم ابتكاره يمكن أن يكون مفيدا في تطبيقات إضافية مثل أجهزة الاستشعار الذكية، بالإضافة إلى الفصل الكيميائي.
