أغشية مسامية لتحسين عملية تكرير النفط وتطوير العقاقير

صممها علماء من «كاوست» للمساعدة على إنتاج أنقى المنتجات الصناعية

بعد 48 ساعة من الاستخدام المتواصل لم تتدهور الأغشية وتحملت التعرض لمواد قاسية

تسعى شركات البترول والكيماويات والمستحضرات الدوائية دائماً إلى تصنيع أنقى وأفضل المنتجات. وهنا يمثل ترشيح المُذيبات العضوية –السوائل ذات الأساس الكربوني، كالزيوت والكحوليات، التي تُذيب مواد أخرى– أهمية محورية بالنسبة لتلك الصناعات. وتجدر الإشارة إلى أن عملية الترشيح بشكل عام تستخدم لفصل المواد الصلبة عن السوائل أو الغازات باستخدام وسيط مرشح يسمح للسائل بالمرور، ولا يسمح للمواد الصلبة أو على الأقل جزء منها بالمرور.
أغشية مسامية
وتستهلك طرق الاستخلاص التقليدية لفصل المواد بعضها عن بعض، كالتقطير، كمياتٍ هائلة من الطاقة، في حين تواجه البدائل الصديقة للبيئة الناشئة، كالأغشية، تحدياتٍ أخرى. فعلى سبيل المثال، كثيراً ما يتطلب الأمر أن تكون المواد المسامية قادرة على تحمل مُذيبات عالية التفاعلية في أثناء عملية ترشيح جزيئات مُستهدفة ذات حجم وشكل معينين. ويتوافر بعض الأغشية عالية الكفاءة التي تُستخدم في فصل الملح عن الماء في عملية تحلية مياه البحر، غير أنها لا تمتاز بدرجة الكفاءة نفسها عند استخدامها في فصل الجزيئات الأصغر حجماً والشديدة التشابه في المُذيبات العضوية.
لذلك فإن تصميم أغشية رقيقة، كرقاقة بسكويت الويفر، لفصل جزيئات معينة عن السوائل قد يحسّن كفاءة عملية تكرير النفط وتصنيع المستحضرات الدوائية.
وفي هذا الإطار، ابتكر فريقان بحثيان بجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) غشاءً مسامياً فائق الرِّقة باستخدام وحدات بنائية جزيئية مصنوعة بعناية كبيرة، تُعرَف باسم «الأمينات ثلاثية الزوايا». والأمينات عبارة عن مجموعة من مركبات النيتروجين العضوي وتُشتق من الأمونيا.
ولتخيُّل «الأمينات الثلاثية» تقول البروفسورة سوزانا نونيس، أستاذة العلوم والهندسة الكيميائية والبيئية في «كاوست»: «بمقدورك أن تتخيلها على شكل مكعبات الليغو، حيث يمكنك أن تأخذ مثلثاتٍ مجوفة مُشَكَّلة بصورة مُسبَقة وتجمعها على شكل لوح مسطح». وقد تمكَّن الفريق من تخليق غشاء قادرٍ على فصل جزيئات ذات أحجام وأشكال مختلفة، وذلك عن طريق تحديد حجم المسام والشحنة الكهربية لهذه الجزيئات المثلثة الشكل.
ترشيح كفء
وتُعد سماكة الغشاء عاملاً حيوياً في كفاءة عملية الترشيح. تقول نونيس: «إذا أردنا تسريع عملية الترشيح، فيجب أن يكون الغشاء رقيقاً بقدر الإمكان لتجنب أي مقاومة غير ضرورية لمرور المذيب عبره». ولتحقيق ذلك، فصل الباحثون المكوِّنين الرئيسيين (كلوريد التيرفثالويل والأمينات ثلاثية الزوايا المُشَكَّلة بصورة مُسبقة) إلى مائعين مختلفين لا يمتزجان (زيت وماء على الترتيب)، وهو ما يضمن عدم حدوث التفاعل إلا عند سطح التماس الذي يلتقي عنده المائعان.
يقول تيفان هوانغ، الباحث الرئيسي في هذه الدراسة: «وجدنا أن ذلك أدى إلى تشكيل طبقة فائقة الرقة تبلغ سماكتُها بضعة نانومترات، وهي بذلك أرق كثيراً من أي أغشية تجارية شائعة مُجهَّزة بهذه الطريقة». وقد تراوحت سماكة كل غشاء بين 3.5 و10 نانومترات، بناءً على الزمن الذي استغرقه التفاعل.
اختبر الفريق الأغشية التي صنعها على صبغاتٍ ملونة ذات أحجام جزيئية متشابهة ومتمايزة في الوقت نفسه. ونجحت كل الأغشية في ترشيح ما لا يقل عن 90% من جزيئات اللون التي تزن أكثر من 450 غراماً لكل مول (وحدة أساسيّة في النظام الدولي للوحدات، تستخدم للتعبير عن وحدة قياس كتلة المادة)، وبهذا تكون قد تفوقت كثيراً في الأداء على بعض الأغشية الأخرى التي اختبرها الفريق. ويضيف هوانغ قائلاً: «لم يضعُف أداء الأغشية بعد 48 ساعة من الترشيح المتواصل»، بل إنها تحملت التعرض لمواد أشد قساوة كالأسيتون والميثانول.
وتوضح نونيس قائلة: «من الممكن أن يشتمل الترشيح الجزيئي للمستحضرات الدوائية على خطواتٍ عدة. والأغشية الأكثر متانة وانتقائية، مثل أغشيتنا، قادرة على تبسيط العملية، بحيث تجعلها أقل كُلفة. إضافة إلى ذلك، فإن الآلية التي استخدمناها مُستخدمة بالفعل على نطاقٍ واسع في صناعة الأغشية، لذا فمن الممكن التوسع فيها بسهولة بما يتلاءم مع عملية التصنيع».
صُممت الأغشية في هذه الدراسة بما يتناسب تحديداً مع الجزيئات التي يبلغ وزنها نحو 400 غرام لكل مول. وتعلق نونيس على ذلك قائلة: «سينصبّ تركيزنا في الخطوة التالية على مجموعة كبيرة من الوحدات البنائية، بحيث نتمكن من صُنع أغشية قادرة على انتقاء جزيئات ذات أشكال وأحجام عديدة ومتنوعة، ونُساعد في نهاية المطاف على جعل الفصل العضوي للمُذيبات أكثر استدامة».
وتقول نونيس: «جاء هذا العمل كثمرة للتعاون مع مجموعة البروفسورة نيفين خشاب، أستاذة علوم الكيمياء في (كاوست). فبفضل التكامل بين مجموعتينا، والبيئة البحثية الفريدة التي تُهيئها الجامعة، أصبح ما آمل أن يكون تعاوناً متواصلاً أيسر بكثيرٍ».