קול המדע

מחקר בסיסי בכל תחומי הידע

בתמיכת הקרן הלאומית למדע

שמן, מים ומה שביניהם

שמן, מים ומה שביניהם

על התנהגותן של טיפות שמן מיקרוסקופיות במים, וכיצד הן משפיעות על ציוד טיהור

שמן ומים, כידוע, אינם מתערבבים זה בזה. אלא שבפועל, במציאות,  קשה מאוד לסנן טיפות שמן קטנות הנמצאות במים, כמו למשל בשפכים תעשייתיים. הטכנולוגיה המובילה ביכולתה לעמוד באתגר זה, היא סינון באמצעות  קרומים בררניים המאפשרים הפרדה יעילה גם של טיפות שגודלן קטן ממיליונית המטר.

פרופ' גיא רמון, מהפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית בטכניון וחברי מעבדתו חוקרים כיצד לייעל את התהליך, ולמנוע ככל האפשר את סתימת הקרומים שמשמשים כמסננים לטיפות שמן זעירות. המטרה: לחסוך זמן, אנרגיה והרבה כסף. במחקרם הרב-שנתי העכשווי, שזכה במענק מחקר מהקרן הלאומית למדע, בוחנים המדענים דינמיקה של טיפות על פני שטח של קרום בררני. מתחת לשם היבש הזה מתעוררת בעיה גדולה – היכולת להפיק מים נקיים ממקורות לא ראויים, בדרך שתהיה ברת קיימא, תוך שימוש מינימלי באנרגיה ובחומרים שאינם ידידותיים לסביבה.

מים, בפרט מים נקיים, הם כידוע משאב המצוי בחסר, ולכן חשוב לפתח אפשרויות לשימוש במים מטוהרים – לחקלאות ולמטרות נוספות. המחקר של פרופ' רמון, שזכה במענק מהקרן הלאומית למדע, נועד לבחון את בעיית זיהום המים, בתחום ההפרדה של שמן ממים. "לצערנו  מים המכילים שמנים הם מטרד סביבתי נפוץ שנגרם ממזהמים תעשייתיים, החל מתעשיית הגז והנפט, ציפוי מתכות, ותעשיות אחרות", הוא אומר. "אומנם נעשה תהליך סינון של כתמי השמן הגדולים, אך תהליך זה אינו פותר את בעיית הטיפות הקטנות שקוטרן פחות מעשרה או עשרים מיקרומטרים".

טיפות מים, טיפות שמן

פרופ' רמון אומר, שהטכנולוגיה שבה משתמשים בעשורים האחרונים כדי לנקות את טיפות השמן המיקרוסקופיות מבוססת על שימוש בממברנות – קרומים בררניים, שהמים עוברים דרכם וטיפות השמן נבלמות בהם. אלא שהקרומים האלה, נסתמים מהר מאוד כתוצאה מהצטברות השמן ואז צריך לעצור את התהליך ולנקות אותם, דבר שמחייב השקעת זמן ואנרגיה.

 

פרופ' רמון ושותפיו למחקר מחפשים, לפיכך, דרכים למזער את הסתימות הללו בקרומים. מתברר שקיים פער מחקרי בין הבנת התנהגות הטיפה בקנה מידה קטן (מיקרו), לבין התנהגות הקרום הבררני, בקנה מידה גדול (מאקרו), שבו מתמקד המחקר. "אנחנו חוקרים כיצד טיפות השמן מופרדות על קרום ברזולוציה גבוהה", הוא אומר. "אנו משתמשים במיקרוסקופ קונפוקלי, על גבי תאים מיוחדים המאפשרים מצד אחד הדמייה של תנאי תהליך אמיתיים, ומצד שני גישה לצילום אופטי ברמה גבוהה. בדרך זו אפשר לצלם בזמן אמת את המתרחש על פני קרום תעשייתי בעת תהליך הפרדת השמן ממים. המדידות המדויקות הללו עוזרות לנו בבואנו לקשור בין התנהגות טיפות השמן על הקרום המסנן, לבין קנה המידה הגדול – למשל האם צריכת האנרגיה עולה ככל שהקרום המסנן נסתם, באיזה שלב הוא נסתם עד כדי אי תפקוד שמחייב ניקוי יקר וצריכת אנרגיה רבה, ואיך כל זה קשור למה שראינו בקנה המידה המיקרוסקופי, כלומר למה שמתרחש על פני השטח.

הפער העיקרי שהמחקר הזה מגשר עליו הוא היכולת לקשור בין המאקרו - התהליך כפי שהוא קורה בקנה המידה הגדול שלו, אשר בדרך כלל מנוטר באופן רציף ואוטומטי, לבין הפיזיקה שמשפיעה על מה שמתרחש בקנה המידה הקטן

לתובנות אלה יכולה להיות משמעות רבה לתפעול מתקן טיהור. ניסוי אחר שאנו עורכים במסגרת המחקר עוסק בחיפוש אחר חומרים שונים לבניית הקרום המסנן, כך שהוא ייסתם פחות. המטרה היא למצוא דרך לבניית מערכת שיכולה לבצע את התהליך לאורך זמן ובמינימום השקעה. הפער העיקרי שהמחקר הזה מגשר עליו הוא היכולת לקשור בין המאקרו – התהליך כפי שהוא קורה בקנה המידה הגדול שלו, אשר בדרך כלל מנוטר באופן רציף ואוטומטי, לבין הפיזיקה שמשפיעה על מה שמתרחש בקנה המידה הקטן – והבלתי מפוענח. אנו מפסיקים להסתכל על הקרום המסנן כעל קופסה שחורה, אלא נכנסים לתוכו ומנסים להבין את המנגנונים שגורמים לירידה בתפקוד, וכך לייצר ידע שישמש לשיפור הנדסי של התהליך".

המחקר מצוי כיום בשנתו האחרונה. פרופ' רמון אומר שחלק מהשאלות בדרך לפתרון. "אחד ההישגים החשובים שהשגנו, הוא שהצלחנו לייצר ידע חדש על הדינמיקה של טיפות השמן. במחקר המיקרוסקופי גילינו למשל שיש קשר בין האופן שבו טיפה נעה לה עם זרם המים לצורת ההתנגשות שלה בקרום המסנן. הראינו לראשונה כי יש קשר הדוק בין המידה שבה הטיפות מתעוותות בתוצאה מהזרימה, ובים היכולת להסיר אותן בקלות מפני הקרום. הרעיון הוא למנוע מהטיפות להידבק לקרום בדרך בלתי הפיכה. לכן צריך לתכנן את המערכת כך שטיפות השמן לא יתעוותו וכך יהיה קל יותר לנקות את הקרום המסנן. הייתרון החשוב הוא השילוב של הנתונים שסיפקו לנו המערכת המיקרוסקופית החדשנית וניסויים מוקפדים, יחד עם מודלים מתמטיים שמתארים את יחסי הגומלין בין שדה הזרימה שנוצר ליד הקרום לבין הטיפה ומשנים את צורתה. על בסיס כל אלה בדקנו תגובות הדדיות ברמה מולקולרית בין החומר שממנו עשוי  הקרום לבין שמן, ואנו מבקשים לחזות תחת אילו תנאים הטיפה תיצמד בחוזקה לקרום, ובאילו תנאים ההיצמדות תהיה קלה יחסית, כך שיהיה קל לנקות את השמן".

החיים עצמם:

פרופ' גיא רמון

פרופ' רמון עוסק מילדותו בגלישת גלים, וכך התוודע לבעיית זיהום הים. "כגולש גלים הייתי בים בכל ימות השנה ובכל מזג אוויר. כך הבחנתי בפער ברמת ניקיון הים, בין הקיץ לחורף. כנער, ייחסתי את התופעה הזאת לכך שבתקופת הקיץ, בעונת הרחצה, היתה יותר הקפדה על מניעת הזרמה של שפכים לים. קישרתי זאת למניע כלכלי: כשיש תמריץ לשמור על המים נקיים כי אנשים מתרחצים,  הגורמים השונים משתדלים לעשות זאת; וכשאין תמריץ, לאף אחד לא אכפת שהים יהיה מזוהם. זו נראתה לי גישה אנושית יהירה שמתייחסת לטבע בזלזול, כאילו שהוא נועד רק לשרת מטרה מיידית שלנו". תפיסה זו הובילה אותו לטכניון ולתחום המחקר שבו הוא מתמקד עד היום.

 

 

הרשמה לקבלת עדכונים מהאתר

אנא שלחו לי הודעה עם קישור
כאשר נוספת לאתר כתבה חדשה

שיתוף ב facebook
Facebook
שיתוף ב pinterest
Pinterest
שיתוף ב twitter
Twitter
שיתוף ב linkedin
LinkedIn