ביצועי מוליבדן דיסולפיד בתהליכי התפלת המים עולים על אלו של גרפן (Graphene)

נכתב ע"י: דקסטר גונסון, נובמבר 2015

דו"ח הסיכונים של הפורום הכלכלי העולמי לשנת 2015 מציין כי  המחסור במים הנו הסיכון הגדול ביותר איתו העולם יצטרך להתמודד.  בעוד שקיימות טכנולוגיות ישנות וחדשות כאחת היכולות לפתור את מחסור המים, הן עדיין דורשות שימוש רב באנרגיה ולכן אינן נגישות לאזורים רבים בעיקר מחוץ לאזור המפרץ הפרסי, עתיר הנפט.
במסגרת החיפוש אחר פתרון זול ויעיל מבחינה אנרגטית להתפלת מי-ים,  חוקרים בחנו את  ה"גרפן". הגרפן (Graphene) הוא יריעה דו ממדית של אטומי פחמן המסודרים בצורת כוורת משושים בעובי של שכבה אטומית אחת. הוא מהווה אבן יסוד של: גרפיט, פולרנים וננו-צינורית פחמן.
החומר בודד לראשונה מגרפיט שמצוי בעפרונות.

הגרפן פועל בתור ממברנה נקבובית (פורוזיבית) המאפשרת למים לעבור דרכה אך חוסמת את מעבר יוני המלח. התהליך מתבצע  ב"אוסמוזה הפוכה"  (Reverse Osmosis), כאשר הלחץ המניע את התהליך הוא לחץ המים.
חוקרים  מאוניברסיטת אילינוי, ארה"ב, בחנו לאחרונה אפשרות ליצור ממברנה מחומר חליפי ,מוליבדן  דיסולפיד. מוליבדן  דיסולפיד  (MoS2) הוא מוצק שחור, בוהק הדומה לגרפיט. הוא יחסית בלתי ריאקטיבי ומשמש בעיקר בחומרי סיכה.
החוקרים מאמינים כי חומר זה הנו בעל  פוטנציאל רב ויכולתו להרחיק את יוני המלח תהיה טובה יותר.
Clipboard02
במחקר שפורסם בכתב העת Nature Communications, החוקרים דיווחו על תוצאות השוואה בין  מודלים ממוחשבים שונים של ממברנות בעלות שכבה דקה מחומרים שונים,  התוצאות הראו  כי –ממברנה מחומר מוליבדן די סולפיד הייתה  היעילה ביותר, וסיננה 70% מים יותר מאשר ממברנת הגרפן.

פרופסור Narayana Aluru החוקר המוביל של המחקר אומר כי, חומרים חדשים אלה יעילים אנרגטית ומקטינים את היווצרות הפאולינג במערכת,  גורמים המהווים עד היום מכשלה משמעותית בקידום נושא ההתפלה.
כל חומר חדש, המפעיל תהליך של אוסמוזה הפוכה, צריך לענות על הדרישות הבאות: נקבוביות בקוטר מבוקר באופן מדויק, התנגדות לפאולינג והאטמות וקיצוץ משמעותי בעלות האנרגטית.

החוקר מוסיף ואומר כי תהליך האוסמוזה ההפוכה הוא יקר מאד,  דורש אנרגיה רבה ולא כל כך יעיל. בנוסף הממברנות נסתמות אחרי זמן מה. הגורמים הללו מהווים  תמריץ חשוב לפיתוח חומר חליפי לייצור ממברנות זולות, יעילות שאינן נסתמות וממברנות שלא ידרשו הפעלת לחץ גדול להעלאת קצב זרימת המים בתהליך.

חוקרי אוניברסיטת אילינוי טוענים כי המודלים הממוחשבים שלהם ממחישים כי MoS2 מבצע את המשימה בצורה היעילה ביותר הודות לתכונותיו הכימיות והפיזיות. החומר מורכב מאטום אחד של מוליבדן הכרוך בין שני אטומי גופרית, כך שיריעה (sheet) של החומר היא בעצם ציפוי חיצוני של  גופרית ובאמצע שכבה של מוליבדן.

החוקרים גילו כי כאשר יוצרים נקב קטן (pore) ביריעת ה- MoS2 נוצרת טבעת מוליבדן סביב מרכז החור, והיא מושכת את המים דרך הנקב הודות ליכולת המוליבדן למשוך אליו מולקולות מים.

ל-MoS2 יש יתרונות בכך שהמוליבדן במרכז הטבעת מושך מים ואילו ציפוי הגופרית בצד השני מרחיק אותם, בצורה זו, קצב המים העובר דרך הנקב מוגבר. הכימיה של החומר יחד עם גיאומטרית הנקב מביאים לכך שאין צורך לשפעל את הנקב, בעוד שכאשר משתמשים בגרפן תהליך זה מסובך יותר.

 בדרך כלל, גילוי של תופעה באמצעות מודל מחשב מחייב עוד צעד גדול עד ליישומו התעשייתי, אך החוקרים מאמינים כי במקרה הנוכחי הם עלו על משהו אמיתי, והם כבר בדרך לביצוע ניסוי מעבדה.