מתווה לפיתוח טכנולוגיות התפלה סלקטיביות

בהשראת האבולוציה: חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת ייל מציגים מתווה לפיתוח טכנולוגיות התפלה סלקטיביות

ראו את המאמר המלא

כנסו לאתר של המעבדה החדשה

חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת ייל מציגים בכתב העת Nature Nanotechnology מתווה לפיתוח טכנולוגיה חדשנית לסינון סלקטיבי של מים. הטכנולוגיה צפויה להאיץ, לשפר ולהוזיל תהליכי התפלה ולקדם פיתוחים ברפואה, בייצור אנרגיה ובתחומים אחרים.

המחברים הראשיים של המאמר הם ד"ר רזי אפשטיין, חבר סגל בפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית בטכניון, ופרופ' מנחם אלימלך מאוניברסיטת ייל שהנחה אותו בפוסט-דוקטורט.

פיתוחן של טכנולוגיות סינון סלקטיביות הוא קפיצת מדרגה בתהליכי אוסמוזה הפוכה – גישה שפותחה בעיקר לצורכי התפלה, כלומר לשם הפרדת מלחים ממים. טכנולוגיה זו החליפה, הודות ליתרונותיה, את ההתפלה התרמית המבוססת על אידוי ומצריכה השקעה אנרגטית עצומה.

אוסמוזה היא תהליך פיזיקלי טבעי שעיקרו השוואת ריכוזים בין אזורים שונים בנוזל; אם ריכוז המלחים בנוזל אינו אחיד (הומוגני), הלחץ האוסמוטי יגרום למים המלוחים-פחות לזרום "לתוך" המים המלוחים-יותר ולהגדיל בהדרגה את ההומוגניות של כלל הנוזל. אוסמוזה הפוכה היא, כשמה, תהליך הפוך שבו מופרדים מים "הומוגניים", כלומר מים המאופיינים בריכוז מלחים אחיד, לזרמים שונים בעלי ריכוז שונה. לשם כך יש להפעיל על המים כוח הגובר על הלחץ האוסמוטי ה"שואף" כאמור להאחדת הריכוזים.

בעולם ההנדסה והמים, אוסמוזה הפוכה היא טכנולוגיה המשמשת כבר יותר מחמישים שנה להתפלת מים ולשימושים אחרים, וזאת באמצעות ממברנות פולימריות. למרות ההתפתחויות והשיפורים בתחום זה, ממברנות אלה עדיין מוגבלות מאוד בביצועיהן, בעיקר בהקשרים של סינון סלקטיבי.

לדברי ד"ר אפשטיין, "סינון סלקטיבי הוא יעד מבוקש כל כך מכמה סיבות. ראשית, מהסיבה הבריאותית – אוסמוזה הפוכה רגילה (לא סלקטיבית) מוציאה מהמים גם מינרלים שאנחנו רוצים שיישארו, בעיקר בשל ערכם התזונתי. שנית, מההיבט הסביבתי – ככל שהסינון יותר גורף ופחות סלקטיבי, אנחנו זורקים תמלחת מרוכזת יותר ורבה יותר הפוגעת בסביבה. שלישית, מהסיבה הכלכלית – במים יש חומרים יקרי ערך, למשל ליתיום, שאם תוכל להפריד ולשמור אותם תרוויח. בשורה התחתונה – סלקטיביות היא יעד הגיוני וחשוב, והוא גם רלוונטי לתהליכים שאינם התפלה – בהפקת אנרגיה, ברפואה ובחיישנים."

אף שממברנות סלקטיביות מעסיקות קבוצות מחקר רבות בעולם, יעילותן עדיין אינה משביעת רצון. "כאן," אומר ד"ר אפשטיין, "בא לעזרתנו הטבע, שפיתח במיליארדי שנות אבולוציה אוסמוזה הפוכה סלקטיבית ויעילה להפליא. אחד התהליכים הללו, שהתפתחו במיליארדי שנות אבולוציה, מתרחש בתעלות היונים (ion channels). תעלות אלה, הקימות בקרומיהם של תאים, משמשות מסנן מולקולרי של יונים."

סוג אחד של תעלת יונים הוא תעלת האשלגן – מעין "סלקטורית" המאפשרת כניסה ליוני אשלגן בלבד. פעילותה מבוססת בין השאר על העובדה שמולקולות האשלגן, במצבן הרגיל, עטופות במים ולכן הן "שמנות" מכדי להיכנס לתעלה. כדי להיכנס לתעלה הן חייבות להשיל את המים מעליהן, והן עושות זאת בתהליך זה של התייבשות (dehydration). תהליך זה מקל על תעלת היונים לזהות את יוני האשלגן, להבדיל בינן למולקולות דומות כגון סודיום, ולאפשר רק ליוני האשלגן לעבור דרכן באמצעות אתרי קישור (binding sites) ייעודיים.

ייצורן של ממברנות סלקטיביות נבחן כיום בכמה אפיקים, הן בשיפור של ממברנות סטנדרטיות (פולימריות) והן ביצירה של ממברנות חדשות לגמרי מחומרים חדשים כגון גרפין ושפופרות פחמן. במעבדה החדשה של ד"ר אפשטיין בטכניון נבחנות כל האפשרויות, אבל הוא מעריך שהפתרון היעיל יימצא בשיפור של ממברנות פולימריות ומקווה שהמאמר הנוכחי יעניק דחיפה לפיתוח התחום ולהאצתן של ממברנות סלקטיביות למגוון תחומים.

ד"ר רזי אפשטיין, יליד כפר תבור, השלים תואר ראשון ושני באוניברסיטת בן גוריון ותואר שלישי בפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית בטכניון בהנחיית פרופ' מיכל גרין. הוא הצטרף לסגל הטכניון באוקטובר 2019 אחרי פוסט-דוקטורט בייל.

המחקר נתמך על ידי משרד האנרגיה האמריקאי.