يعد النقص في المياه من المشكلات الخطيرة التي تواجه دولاً نامية كثيرة؛ لذا فإن استخدام تقنية النانو في تطوير تقنيات معالجة المياه التقليدية التي تضمّ المعالجات الكيميائية، وتحلية المياه، والتنقية والمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، وغيرها من وسائل تقنية المياه، سيؤدي إلى رفع كفاءة هذه التقنيات، حيث سيوفر المياه للمحتاجين إليها. وتقدم تقنية النانو حاليا إلى هذا المجال الحيوي ثلاثة تقنيات معالجة تضمّ: أغشية أنابيب النانو الكربونية (CNT membranes)، وشباك النانو (Nano mesh)، ومسام الخزف النانوية (Nano porous ceramics) وتعمل هذه التقنيات بطرق مختلفة، وذلك وفقا للمميزات الخاصة بكل تقنية، فعلى سبيل المثال: تعمل تقنية مسام الخزف النانوية على حجز ومنع مرور العوالق الدقيقة والفطريات والطفيليات، والكائنات الحية الدقيقة، والفيروسات والمواد الضارة من مصادر المياه العذبة كالأنهار والبحيرات والبرك. ويجري العمل حاليا على تسويق مرشحات نانو (Nano filters) عملية، تنقي المياه تنقية سريعة، بحيث يستطيع الشخص شرب الماء المرشح مباشرة من مختلف مصادره: كالمياه الجوفية، والمياه الراكدة ومياه الوحل. كما تتميز تقنيات النانو الحديثة بانخفاض كمية الطاقة المستخدمة في تنقية المياه، بالإضافة إلى ارتفاع جودة المياه المعالجة. كما أعلنت مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية السعودية، وشركة آي بي أم (IBM) العالمية في عام 2009 م، التوصل إلى اختراع جديد في مجال تحلية المياه باستخدام تقنية النانو، ويتمثل ذلك في تطوير أغشية جيدة بإمكانها تنقية الماء من الأملاح، والمواد السامة بكفاءة وسرعة عاليتين ⁽⁶⁰⁾. وقرر الجانبان في بيان مشترك تسجيل حقوق هذا الاختراع باسمهما، إذ اتفقا على الإعلان عنه في وقت واحد في السعودية والولايات المتحدة.

وأوضح بوب ألين المسؤول في مركز أبحاث شركة آي بي أم بمدينة سان خوسيه في كاليفورنيا أن هذا البحث الذي أسفرت عنه نتائج واعدة سيضع الأساس لتطبيقات أكثر ذكاء، وصحة، بحيث ستسهم في المحافظة على استمرار الكوكب، والنظام البيئي حاضرا للأجيال المقبلة ⁽⁶⁰⁾.

ويهدف المركز الدولي المشترك بين المدينة وشركة آي بي أم للأبحاث في تطبيقات النانو إلى إيجاد الحلول التي تقلل تكلفة تحلية المياه، إذ يضم المركز عددًا من الباحثين المتميزين من بينهم سعوديين متخصصين في تقنية النانو.

وتعد الأغشية الجديدة التي تعتمد على الضغط الإسموزي العكسي من أهم الاكتشافات في مجال تنقية وتحلية المياه إذ تمكن الفريق المشترك بين المدينة والشركة من وضع مفهوم جديد للأغشية، والمواد التي بإمكانها مقاومة الكلور، بالإضافة إلى قيامها بمهامها بجودة أعلى، ودقة أفضل؛ مما يجعلها ملائمة لاستخدامها في إزالة المواد السامة، كما أنها لا تسمح بتراكم البكتيريا. وأطلق على الغشاء الجديد اسم (I-Phobe) وذلك نظرًا لتركيبته الكيميائية الفريدة من الهيدروفوبات المؤينة التي تمكنه من التغير الجذري عند مواجهته ظروفاً مختلفة، فيتحوّل إلى غشاء هيدروفيلي، كما أن كفاءة تمرير الماء. عبر الغشاء تتحوّل إلى كفاءة عالية في الظروف البسيطة؛ مما جعل الباحثين يسمونه الطريق السريع للماء.

كما تقدم مؤلف هذا الكتاب مع مجموعة من الباحثين في معهد علوم المواد (NIMS، Japan) بمدينة تسكوبا اليابانية بمشروع «بناء وتصميم جهاز استشعار بصري بيولوجي نانومتري ذي كفاءة ىعالية لإزالة الملوثات البيئية والبيولوجية من مياه الشرب بالمملكة العربية السعودية» ⁽⁶¹⁾.

والهدف العام لهذا المشروع البحثي في دولة رائدة مثل المملكة العربية السعودية، حيث تقوم فيها صناعات مختلفة تنتج عنها ملوثات مثل البتر، والكيماويات والمشتقات النفطية المختلفة هو الاستفادة من معادن وأكاسيد الأنابيب النانومترية (النانوتيوب)، وكذلك المعادن المثالية، مثل: الذهب والفضة والبلاتين في هيئة النانوجزئية والتي تستخدم في داخل النانوتيوب كقاعدة تحميل أجهزة الاستشعارات البصرية، والنانوتكنولوجية؛ الفصل وتحليل ثم تنقية المياه من المواد البيولوجية، وكذلك المواد السامة، مثل: المعادن والأيونات، والغازات، والمواد العضوية الضارة الناتجة عن الصناعات البتروكيماوية، والنفطية.

ولقد سعى الباحثون إلى فصل عنصر الزرنيخ السام جدا في جزء من البليون (ppb)، ولكن لم تستطيع أحدث الأجهزة الحديثة المستخدمة في التوصل سوى فصل جزء من المليون فقط (ppm). بيد أنه بعد استخدام المواد النانوتيوبية، فقد تمكن الباحثون بمعهد علوم المواد باليابان (Japan، NIMS) من فصل هذا العنصر السام معمليًّا بجزء من التريليون (ppt) (كجهاز بصري استشعاري).

ومن المميزات التي تجعل هذه المواد ذات قابلية تطبيقية سعة التجويف بالحجم النانومتري بطول القناة، وقدره حوالي 900 نانومتر، وكذلك الشكل البلوري في الإطار الخارجي للنانوتيوب. وتمثل أكاسيد المعادن التي تحتوي على النانوتيوب أول نظام يطبق على ديناميكية النانو في المفاعلات؛ لتزيل الجزيئات السامة من أيونات ومواد عضوية ضارة موجودة في المياه الجوفية التي تعد المصدر الرئيس لمياه الشرب في كثير من دول العالم، ومنها المملكة العربية السعودية. وتعد الغازات السامة المتطايرة في الهواء من الصناعات البتروكيماوية هي المصدر الرئيس للملوثات البيئة. وفي هذا المجال أجرى الفريق البحثي أبحاثاً ودراسات سابقة في بيئات تختلف عن بيئة المملكة، حيث أثبتت كفاءة منقطعة النظير لهذه المواد.

شكل رقم (12) تنقية المياه الجوفية من أهم أهداف تقنية النانو المستقبلية.

بيد أن هذه الدراسة تعد الأولى من نوعها على مستوى العالم من حيث الدقة، والكفاءة، وسهولة التحليل، وترشيد نفقاته. وفي هذا المشروع المقترح ستستخدم – بإذن الله – الأنابيب الجزئية القادرة على دمج جميع المراحل التكاملية للاستشعار التحليلي، بما في ذلك أخذ العينات والمعالجة العامة، والكشف عن البيانات وتجهيزها في إطار فعّال. ومن المتوقع أن تمثل نتائج هذا المشروع إنجازا رائعا للمملكة العربية السعودية في ريادة هذا المجال في العالم. وجدير بالذكر أنّ التقنية الحالية لأجهزة الاستشعار الضوئي للمواد السامة والبيولوجية تعتمد على طرق تقليدية، ومعقدة، وباهظة التكاليف على الرّغم من أنها قد تعطي حساسية وديناميكية معقولة، ولكنها لا يمكن أن تطبق بكثافة لوقت طويل على نطاق واسع في مجالات التحليل المختلفة. أما التصميم باستخدام تقنية النانو لأجهزة الاستشعار الكيميائي المعتمد على استخدام أكاسيد المعادن النانومترية، فقد أثبت كفاءة عالية في معاملنا الخاصة باستشعار المواد السامة، وتحليلها بسرعة ودقة فائقتين، حتى عند التركيزات المتناهية في الصغر
(^15–10 مولار) ⁽⁶²⁾.

____________________________________________
هوامش

(60) nanoroducts.blogspot.com/2009_02_01_archive.html

(61) Selim, M. M. and El-Safty, S. Optical Nanosensor Based on Nanotube Metal Oxides for Cyclo Clean Water from Deleterious Pollutants in Saudi Arabia, Project Submitted to KACST, Saudi Arabia (2011).

(62) El-Safty, S.; Kiyozumi,Y.; Hanaoka, T. and Mizukami, F. Heterogeneous Catalytic Activity of NiO-Silica Composites Designated with Cubic Pm3n Cage Nanostructures. Appl. Catal. B: Environ. 82, 2008,169-179.