التناضح الأمامي

من الأمثلة على هذا النوع من التطبيقات "أكياس الترطيب"، التي تستخدم مادة قابلة للابتلاع لفصل الماء عن السوائل المخففة . يسمح هذا، على سبيل المثال، بتناول الماء من المياه السطحية (الجداول، البرك، المستنقعات، إلخ) التي يُتوقع أن تحتوي على مسببات الأمراض أو السموم التي يرفضها غشاء التناضح الأمامي بسهولة. مع مرور الوقت الكافي، يتغلغل هذا الماء عبر كيس الغشاء إلى محلول السحب، تاركًا مكونات السائل غير المرغوب فيها. يمكن بعد ذلك تناول محلول السحب المخفف مباشرةً. عادةً ما تكون المواد القابلة للابتلاع سكريات مثل الجلوكوز أو الفركتوز ، مما يوفر فائدة إضافية تتمثل في التغذية لمستخدم جهاز التناضح الأمامي. ومن الميزات الأخرى المهمة لهذه الأكياس إمكانية استخدامها بسهولة لإعادة تدوير البول ، مما يُعزز بشكل كبير قدرة المتنزهين أو الجنود على البقاء في البيئات القاحلة. ^{[ 2 ]} يمكن من حيث المبدأ استخدام هذه العملية مع مصادر مياه التغذية المالحة عالية التركيز مثل مياه البحر، حيث كان أحد الاستخدامات الأولى المقصودة للتناضح الأمامي مع المواد المذابة القابلة للابتلاع هو البقاء على قيد الحياة في قوارب النجاة في البحر. ^{[ 3 ]}

يمكن إنتاج المياه المحلاة من محلول السحب/عامل التناضح المخفف، باستخدام عملية ثانية. قد تتم هذه العملية عن طريق الفصل الغشائي، أو الطريقة الحرارية، أو الفصل الفيزيائي، أو مزيج من هذه العمليات. تتميز هذه العملية بانخفاض التلوث بطبيعتها نظرًا لخطوة التناضح الأمامي الأولى، على عكس محطات تحلية المياه التقليدية بالتناضح العكسي حيث يمثل التلوث مشكلة شائعة. قامت شركة "مودرن ووتر" بنشر محطات تحلية مياه تعتمد على التناضح الأمامي في جبل طارق وسلطنة عمان. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} في مارس 2010، أشارت مجلة "ناشيونال جيوغرافيك" ^{[ 7 ]} إلى التناضح الأمامي كإحدى التقنيات الثلاث الواعدة بتقليل متطلبات الطاقة اللازمة لتحلية المياه.

هناك تطبيق آخر تم تطويره، حيث تُستخدم فيه خطوة التناضح الأمامي فقط، وهو في مياه التعويض للتبريد التبخيري. في هذه الحالة، تُعتبر مياه التبريد هي المحلول المسحوب، ويتم تعويض المياه المفقودة بالتبخر ببساطة باستخدام مياه مُنتجة بالتناضح الأمامي من مصدر مناسب، مثل مياه البحر، أو المياه قليلة الملوحة، أو مياه الصرف الصحي المعالجة، أو مياه الصرف الصناعي. وبالتالي، بالمقارنة مع عمليات " تحلية " أخرى يمكن استخدامها لمياه التعويض، فإن استهلاك الطاقة يُعد جزءًا صغيرًا منها، مع ميزة إضافية تتمثل في انخفاض ميل عملية التناضح الأمامي للتلوث. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

في حالة كون المنتج المطلوب ماءً عذباً خالياً من المواد المذابة، يلزم إجراء خطوة فصل ثانية. لا تتطلب خطوة الفصل الأولى في التناضح الأمامي، والتي تعتمد على تدرج الضغط الأسموزي، مدخلات طاقة كبيرة (فقط تقليب أو ضخ المحاليل دون ضغط). أما خطوة الفصل الثانية، فتتطلب عادةً مدخلات طاقة. إحدى الطرق المستخدمة في خطوة الفصل الثانية هي استخدام التناضح العكسي. وقد استُخدم هذا النهج، على سبيل المثال، في معالجة عصارة مدافن النفايات . يُستخدم فصل غشائي بالتناضح الأمامي لسحب الماء من عصارة التغذية إلى محلول ملحي (كلوريد الصوديوم). ثم يُمرر المحلول الملحي المخفف عبر عملية التناضح العكسي لإنتاج ماء عذب ومحلول ملحي مركز قابل لإعادة الاستخدام. لا تكمن ميزة هذه الطريقة في توفير الطاقة، بل في أن عملية التناضح الأمامي أكثر مقاومة للتلوث الناتج عن عصارة التغذية مقارنةً بعملية التناضح العكسي وحدها. ^{[ 11 ]} وقد استُخدم نظام هجين مماثل يجمع بين التناضح الأمامي والتناضح العكسي لتركيز المنتجات الغذائية، مثل عصير الفاكهة. ^{[ 12 ]}

يمكن تركيز المحلول الملحي باستخدام التناضح الأمامي عن طريق استخدام محلول سحب ذي ضغط تناضحي عالٍ مع إمكانية استعادته وتجديده. إحدى هذه العمليات تستخدم عملية التناضح الأمامي للأمونيا وثاني أكسيد الكربون (NH₃ _/ CO₂ ₎ التي ابتكرها روب ماكجينيس في جامعة ييل ^{[ 13 ] [ 14 ]} ، والذي أسس لاحقًا شركة أواسيس ووتر لتسويق هذه التقنية. ^{[ 15 ] [ 16 ]} نظرًا لأن الأمونيا وثاني أكسيد الكربون يتفككان بسهولة إلى غازات باستخدام الحرارة، يمكن استعادة المواد المذابة المسحوبة وإعادة استخدامها بكفاءة في نظام مغلق، مما يحقق الفصل من خلال التحويل بين الطاقة الحرارية والضغط التناضحي. تم تطبيق تركيز المحلول الملحي بتقنية التناضح الأمامي للأمونيا _{وثاني أكسيد الكربون ( NH₃} /CO₂ ) لأول مرة في صناعة النفط والغاز لمعالجة المياه المنتجة في حوض بيرميان بولاية تكساس، ويُستخدم حاليًا في محطات توليد الطاقة والمصانع في الصين. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

من التطبيقات غير المستغلة ^{[ 19 ]} معالجة مياه التغذية لمحطات التقطير الومضي متعدد المراحل (MSF) أو التقطير متعدد التأثيرات (MED) عن طريق تخفيف المحلول الملحي المُعاد تدويره بمياه التبريد بالخاصية الأسموزية. يُقلل هذا من تركيزات كربونات الكالسيوم وكبريتات الكالسيوم المُسببة للترسبات مقارنةً بالعملية العادية، مما يسمح بزيادة درجة حرارة المحلول الملحي العلوي (TBT) والإنتاج ونسبة الإنتاج المُكتسب (GOR). وقد أظهر درويش وآخرون ^{[ 20 ]} إمكانية رفع درجة حرارة المحلول الملحي العلوي من 110  درجة مئوية إلى 135  درجة مئوية مع الحفاظ على نفس مؤشر الترسيب لكبريتات الكالسيوم.

على الرغم من شيوع المعالجة الأسموزية للمنتجات الغذائية (مثل الفواكه واللحوم المحفوظة) في صناعة الأغذية، ^{[ 21 ]} إلا أن معالجة التناضح الأمامي لتركيز المشروبات والأطعمة السائلة لم تُدرس إلا على نطاق المختبر. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} تتميز معالجة التناضح الأمامي بعدة مزايا كعملية لتركيز المشروبات والأطعمة السائلة، بما في ذلك التشغيل في درجات حرارة وضغوط منخفضة، مما يعزز الاحتفاظ العالي بالقيمة الحسية (مثل الطعم والرائحة واللون) والقيمة الغذائية (مثل الفيتامينات)، ومعدل رفض عالٍ، وانخفاض محتمل في تلوث الأغشية مقارنةً بعمليات الأغشية التي تعمل بالضغط. ^{[ 27 ]}

في عام ١٩٥٤، اقترح باتل ^{[ ٢٨ ]} وجود مصدر طاقة غير مستغل عند اختلاط مياه النهر بالبحر، وذلك من خلال فقدان الضغط الأسموزي. إلا أنه لم يتم التوصل إلى طريقة عملية لاستغلال هذه الطاقة باستخدام أغشية نفاذية انتقائية إلا في منتصف سبعينيات القرن العشرين، وذلك على يد لوب ^{[ ٢٩ ]} ، وبشكل مستقل من قبل جيلينك ^{[ ٣٠ ]} . أطلق لوب على هذه العملية اسم "التناضح المُعاق بالضغط" (PRO)، ويُعرض تطبيق مبسط لها في الصفحة المقابلة. من بين الحالات التي يُمكن استغلال هذه الطاقة فيها، استخدام فرق الضغط الأسموزي بين مياه نهر قليلة الملوحة تصب في البحر، أو بين المحلول الملحي ومياه البحر. وقد قُدِّر إجمالي الطاقة الأسموزية المُحتملة عالميًا بنحو ١٦٥٠ تيراواط/ساعة سنويًا. ^{[ ٣١ ]}

في الآونة الأخيرة، أجرت شركة ستاتكرافت، شركة الطاقة الحكومية النرويجية، قدراً كبيراً من أعمال البحث والتطوير بتمويل من الشركة. وقد بُني نموذج أولي لمحطة في النرويج تولد طاقة إجمالية تتراوح بين 2 و4  كيلوواط؛ انظر نموذج ستاتكرافت الأولي للطاقة الأسموزية في هوروم . كما تم النظر في إنشاء محطة أكبر بكثير بقدرة إنتاجية تتراوح بين 1 و2 ميغاواط في سوندالسورا، على بُعد 400  كيلومتر شمال أوسلو ^{[ 32 ]،} ولكن تم التخلي عن هذا المشروع لاحقاً. ^{[ 33 ]} وتقوم منظمة تطوير الطاقة الجديدة والتكنولوجيا الصناعية (NEDO) في اليابان بتمويل الأبحاث المتعلقة بالطاقة الأسموزية. ^{[ 34 ]}

تتمتع تقنية التناضح الأمامي (FO) بالعديد من المزايا في معالجة النفايات الصناعية السائلة التي تحتوي على أنواع مختلفة من الملوثات، وكذلك في معالجة المياه المالحة. ^{[ 35 ]} عندما تحتوي هذه النفايات السائلة على تركيزات متوسطة إلى منخفضة من المواد القابلة للإزالة، تكون أغشية التناضح الأمامي فعالة للغاية، وتتميز بمرونة في تعديل الغشاء وفقًا لجودة المياه المنتجة المطلوبة. كما تُعد أنظمة التناضح الأمامي مفيدة جدًا عند استخدامها مع أنظمة معالجة أخرى، حيث تعوض أوجه القصور التي قد تعاني منها تلك الأنظمة. وهذا مفيد أيضًا في العمليات التي يكون فيها استخلاص منتج معين ضروريًا لتقليل التكاليف أو تحسين الكفاءة، مثل عمليات إنتاج الغاز الحيوي.

تتمثل العيوب الرئيسية لعمليات التناضح الأمامي في ارتفاع معدل التلوث الذي قد تتعرض له. يحدث هذا عند معالجة مياه الصرف ذات التشبع العالي، مما يؤدي إلى انسداد الغشاء وتوقفه عن أداء وظيفته. وهذا يستلزم إيقاف العملية وتنظيف الغشاء. يقل حدوث هذه المشكلة في أنواع أخرى من معالجات الأغشية، حيث تستخدم ضغطًا اصطناعيًا لاختراق الغشاء، مما يقلل من تأثير التلوث. كما توجد مشكلة أخرى تتعلق بتقنية الأغشية التي لا تزال قيد التطوير. يؤثر هذا على عمليات التناضح الأمامي، حيث أن الأغشية المستخدمة باهظة الثمن وليست عالية الكفاءة أو مثالية للوظيفة المطلوبة. لذا، غالبًا ما تُستخدم أنظمة أخرى أرخص وأبسط بدلًا من الأغشية.

يستخدم القطاع حاليًا عددًا قليلًا من عمليات الأغشية بتقنية التناضح الأمامي (وتقنيات الأغشية عمومًا) نظرًا لتعقيد هذه العمليات وارتفاع تكلفتها، فضلًا عن حاجتها إلى إجراءات تنظيف مكثفة، والتي قد لا تُجدي نفعًا إلا في ظل ظروف معينة يصعب ضمانها دائمًا في الصناعة. ولذلك، ينصبّ التركيز مستقبلًا على تطوير تقنية الأغشية لتكون أكثر مرونة وملاءمة للاستخدام الصناعي العام. وسيتحقق ذلك من خلال الاستثمار في البحث والتطوير، وطرح هذه التطورات تدريجيًا في السوق، ما يُسهم في خفض تكلفة الإنتاج مع زيادة إنتاج الأغشية. وبناءً على التطورات الحالية، من المتوقع أن تنتشر الأغشية في غضون سنوات قليلة في العديد من العمليات الصناعية المختلفة (وليس فقط معالجة المياه)، وأن تظهر مجالات عديدة يُمكن فيها استخدام عمليات التناضح الأمامي.