ما هو التناضح وتطبيقاته في تنقية المياه؟

هل سبق لك أن تساءلت عن سبب رطوبة رقائق البطاطس عند وضعها في وعاء من الماء؟ إنه بسبب التناضح. التناضح هو حركة الماء من منطقة عالية تركيز الماء إلى منطقة ذات تركيز ماء منخفض. في حالة رقائق البطاطس، يكون تركيز الماء خارج الرقاقة أعلى مما هو بداخلها. لذلك، تتحرك جزيئات الماء داخل الرقاقة، مما يؤدي إلى انتفاخها وتصبح منديًا. نتيجة لذلك، التناضح عملية مهمة جدًا في الطبيعة ويلعب دور في العديد من الأشياء المختلفة، مثل طريقة نمو النباتات والطريقة التي تعمل بها أجسامنا.

محتويات المقال :

ما هو التناضح – Osmosis؟

التناضح هو حركة الماء عبر غشاء شبه منفذ من منطقة ذات تركيز عالٍ للماء إلى منطقة ذات تركيز ماء منخفض. وذلك عبر الغشاء شبه المنفذ؛ وهو حاجز يسمح لبعض الجزيئات بالمرور من خلاله دون غيرها. حيث يسمح الغشاء بمرور جزيئات الماء، ولكن ليس المواد المذابة في المحلول.

إذا كان تركيز الماء خارج الخلية أعلى من تركيز الماء داخل الخلية ، فسوف ينتقل الماء إلى الخلية. وذلك ما يسمى بالتناضح مفرط التوتر. إذا كان تركيز الماء خارج الخلية أقل من تركيز الماء داخل الخلية، فسيخرج الماء من الخلية، ويُسمى بالتناضح ناقص التوتر. إذا كان تركيز الماء خارج الخلية هو نفسه تركيز الماء داخل الخلية، فلن تكون هناك حركة صافية للمياه عبر الغشاء. ونتيجة لذلك يُسمى بالتناضح متساوي التوتر.

يعتبر التناضح عملية مهمة للغاية بالنسبة للنباتات والحيوانات. حيث تعتمد النباتات على هذه العملية لأخذ الماء من التربة. وكذلك تستخدمه الحيوانات لتنظيم محتوى الماء في خلاياها. كما أنه مهم أيضًا لنقل العناصر الغذائية وفضلات الجسم [1] .

ولفهم معنى التناضح بشكل أفضل، يمكنك القيام بتجربة البيض في الخل. وهي تجربة علمية ممتعة وسهلة يمكن إجراؤها في المنزل باستخدام عدد قليل من المكونات البسيطة. توضح التجربة عملية التناضح، وهي حركة الماء عبر غشاء شبه منفذ [2] .

تجربة البيض في الخل

للقيام بالتجربة، سوف تحتاج إلى:

1 بيضة
1 برطمان
خل

الخطوات

ضع البيضة في البرطمان.
املأ المرطبان بالخل وتأكد من غمر البيضة تمامًا.
اترك البيضة في الخل لمدة 24-48 ساعة.
بعد 24-48 ساعة، أخرج البيضة من الخل.
اشطف البيضة بالماء.

الملاحظات

ستلاحظ أن قشر البيض قد ذاب تاركًا بياض البيض وصفار البيض محاطًا بغشاء رقيق. حيث أذاب الخل كربونات الكالسيوم في قشر البيض، وهو ما يعطي قشر البيض قوته. بينما الغشاء مصنوع من مادة مختلفة لا تتأثر بالخل.

في تجربة البيض في الخل، يكون الخل محلولًا بتركيز عالٍ من الماء. قشر البيض عبارة عن غشاء شبه منفذ يسمح بمرور الماء من خلاله. ينتقل الماء من الخل إلى قشر البيض، مما يتسبب في إذابة قشر البيض [2] .

ما هو الغشاء شبه المنفذ – semi-permeable membrane ؟

الغشاء شبه المنفّذ هو نوع من الغشاء يسمح لجزيئات أو أيونات معينة بالمرور عبره بينما يحجب الجزيئات الآخرى. حيث يسمح غشاء نصف نافذ للماء بالمرور من خلاله، ولكن ليس الأيونات أو الجزيئات الأكبر. بينما في التناضح العكسي، يتم استخدام غشاء نصف نافذ لإجبار الماء بشكل انتقائي للانتقال من المحلول عبر الغشاء لفصله عن المذاب. عادة ما تكون الأغشية مصنوعة من طبقة رقيقة من البولي أميد تترسب فوق طبقة دعم مسامية من polysulfone. الأغشية الاصطناعية القوية مطلوبة من أجل تنقية فعالة عالية الضغط. الأغشية الاصطناعية الأكثر شيوعًا المستخدمة اليوم مصنوعة من أسيتات السليلوز أو المواد المركبة ذات الأغشية الرقيقة. بشكل أساسي، يعمل الغشاء شبه المنفذ كمرشح للماء ليمر عبره في التناضح العكسي، ويسمح لجزيئات الماء بالمرور بينما يمنع الملوثات مثل الأيونات والجزيئات الأكبر [3].

الأمثلة على التناضح في الحياة اليومية:

يعتبر التناضح عملية مهمة للغاية تلعب دورًا في العديد من جوانب الحياة المختلفة مثل [1-4]:

عندما تضع حبة بطاطس في وعاء من الماء، ينتقل الماء إلى البطاطس. وذلك لأن تركيز الماء خارج البطاطس أعلى من تركيز الماء داخل البطاطس.
عندما تصاب بحروق الشمس، تنتفخ الخلايا الموجودة في جلدك. وذلك لأن تركيز الماء في الدم أعلى من تركيز الماء في خلايا الجلد.
يتم حفظ الأطعمة القابلة للتلف مثل الأسماك والزيتون والخضروات في ملح أو محلول ملحي، ويؤدي تركيز الملح العالي إلى قتل خلايا البكتيريا بالجفاف قبل أن تتسبب في تلف الطعام.
حفظ الفاكهة في السكر، مثل المربى والهلام. وجد الجفاف الأسموزي تطبيقًا واسعًا في الحفاظ على المواد الغذائية لأنه يقلل من النشاط المائي للفواكه والخضروات
يساعد النباتات في الحصول على المياه، وهو أمر ضروري لبقائهم على قيد الحياة.
إزالة الملح والشوائب الأخرى من المياه، والتي تستخدم في تحلية مياه البحر وأنظمة تنقية المياه لإزالة الملوثات من المياه غير المفلترة.
صناعة الأغذية لتركيز عصائر الفاكهة والجيلاتين.
يتم تركيب أنظمة التناضح العكسي في العديد من المنازل اليوم لتوفير مياه الشرب النقية.

أمثلة على التناضح في معالجة المياه

التناضح الأمامي (Forward Osmosis- FO)

هو تقنية غشاء تستخدم فرق الضغط التناضحي لمعالجة سائلين في وقت واحد، مما يوفر معالجة موفرة للطاقة للمياه ومياه الصرف. تم تطبيقه في تجارب معملية في العديد من الصناعات، بما في ذلك الأغذية والمشروبات، والمواد الكيميائية، والأدوية، ومعالجة الفحم، وزراعة الطحالب الدقيقة ، والمنسوجات، والورق، والإلكترونيات، وتصنيع السيارات. كما تم العثور على أبحاث حول التخلص من المعادن الثقيلة ومعالجة مياه التبريد باستخدام هذه العملية.

التناضح العكسي (Reverse Osmosis- RO)

التناضح العكسي هو عملية تنقية للمياه، حيث يُستخدم غشاء شبه منفذ لتصفية الجزيئات غير المرغوب فيها والجزيئات الكبيرة مثل الملوثات والرواسب من مياه الشرب. تعمل العملية عن طريق دفع الماء تحت الضغط عبر غشاء شبه منفذ يسمح بمرور جزيئات الماء ولكنه يمنع الملوثات من الدخول إلى الجانب الأقل تركيزًا من الغشاء. يمكن لهذه العملية إزالة العديد من الأنواع الكيميائية المذابة والمعلقة وكذلك الأنواع البيولوجية (البكتيريا بشكل أساسي) من المياه، ويستخدم في كل من العمليات الصناعية وإنتاج مياه الشرب. والنتيجة هي ماء نظيف وصولاً إلى المستوى الجزيئي، تاركًا وراءه فقط H₂O النقي.

يزيل التناضح العكسي ما يصل إلى 99٪ من الأملاح المذابة والجزيئات والغرويات والمواد العضوية والبكتيريا من الماء. وبالرغم من أنه لا يزيل 100٪ من البكتيريا والفيروسات، ولكن يمكنه إنتاج مياه نقية للغاية في منزلك [1].

كيف يختلف التناضح الأمامي عن التناضح العكسي في معالجة المياه؟

كلاهما من تقنيات الأغشية المستخدمة في معالجة المياه ، لكنهما يختلفان بعدة طرق. فيما يلي بعض الاختلافات بين التقنيتين في معالجة المياه من نتائج البحث [4] :

التناضح الأمامي

مدفوعة بتدرج الضغط الاسموزي عبر الغشاء.
ينتقل الماء من محلول التغذية إلى محلول السحب.
لا يتطلب ضغط هيدروليكي مرتفع للعمل.
يوفر فرصة لتوفير الطاقة وتكلفة استبدال الأغشية.
يحتمل أن تكون قابلة للتطبيق في معالجة المياه الصناعية لتعزيز كفاءة الطاقة.
يحتمل أن تنطبق على مياه الصرف الصحي التي لا يمكن معالجتها عن طريق التناضح العكسي.
يتم تطبيقه في التجارب المعملية فقط.
يجب إجراء مزيد من التحقيق في معالجة المياه على المدى الطويل، وطرق تنظيف الأغشية، وإجراءات التشغيل.
يجب إجراء تقييمات نشطة واقتصادية قبل تنفيذ التناضح الأمامي على نطاق واسع في الصناعات.

التناضح العكسي:

مدفوعة بالضغط الهيدروليكي.
ينتقل الماء من محلول مركز إلى محلول مخفف.
يتطلب ضغطًا هيدروليكيًا مرتفعًا للعمل.
يتطلب طاقة للعمل أكثر من التناضح الأمامي.
تستخدم على نطاق واسع في إدارة المياه والهندسة البيئية المتعلقة بالمياه.
عالي كفاءة في تحلية مياه البحر.
تستخدم في العديد من التطبيقات، بما في ذلك معالجة مياه الصرف الصحي وتحلية المياه وتوليد الطاقة.
يعد تدفق الغشاء والانتقائية والاستقرار الميكانيكي والمتانة أمرًا مهمًا لتسويق عملية التناضح العكسي.

يمكن استخدام التناضح في عمليات الترشيح بالأغشية عالية الضغط مثل الترشيح بالنانو والتناضح العكسي لإنتاج مياه عالية الجودة للتطبيقات الصناعية والاستهلاك البشري. بشكل عام، يعتبر التناضح تقنية واعدة لمعالجة المياه، وقد تم تطبيقها في العديد من الصناعات لمعالجة المياه ومياه الصرف الصحي.