في مجال تكنولوجيا فصل الأغشية المتطور باستمرار، مثّلت التطورات الأخيرة علامة فارقة هامة. وقد كرّم المؤتمر الوطني لجوائز العلوم والتكنولوجيا ثلاثة مشاريع رائدة في هذا المجال، مما يُبرز النفوذ المتزايد للصين في الهندسة البيئية وإدارة الموارد.
فازت التكنولوجيا الرئيسية وتطبيق معالجة المياه الغشائية الجديدة بالجائزة الأولى المرموقة لتقدمها في تكنولوجيا معالجة المياه.
حصل مشروع إنشاء وتطبيق مواد الأغشية لتنقية الغاز على الجائزة الثانية، مما سلط الضوء على الابتكارات في مجال تنقية الهواء.
كما حصل مشروع إنشاء وتطبيق نظام تكنولوجيا ضمان سلامة مياه الشرب، وهو مشروع متعدد الأوجه يستخدم تقنيات الأغشية المختلفة، على الجائزة الأولى.
هذه هي المرة الأولى التي يحصل فيها فصل الأغشية على ثلاث جوائز وطنية للتقدم العلمي والتكنولوجي في عام واحد، مما يُمثل شهادةً على الخبرة التقنية المتنامية للصين. تعكس هذه الجوائز الأهمية المتزايدة لفصل الأغشية في الاستدامة البيئية، واستعادة الموارد، والعمليات الصناعية.
ما الذي يجعل فصل الأغشية قويًا جدًا؟
بالمقارنة مع طرق الفصل التقليدية، يوفر فصل الغشاء العديد من المزايا الهامة:
كفاءة الطاقة: تحدث معظم العمليات في درجة حرارة الغرفة، وتتطلب الحد الأدنى من الطاقة حيث لا تكون هناك حاجة إلى تغيير الطور (باستثناء الحالات مثل التقطير).
البساطة وقابلية التوسع: فهي تسمح بالتركيز والتطهير والفصل في خطوة واحدة ويمكن توسيع نطاقها بسهولة لكل من العمليات الصغيرة والكبيرة الحجم.
الفوائد البيئية: إنه حل خالٍ من المواد الكيميائية، وقابل للتكيف، ومنخفض التكلفة للعديد من الصناعات.
أدت هذه الخصائص إلى تطبيقه على نطاق واسع في مختلف الصناعات، بدءًا من فصل المواد وصولًا إلى الكشف، والإطلاق المُتحكّم، والتحكم في التفاعلات. ونظرًا لإمكاناته الهائلة، أولت الحكومة الصينية فصل الأغشية أولويةً طويلة. وخلال "الخطة الخمسية الثالثة عشرة"، أبرزت 23 وثيقةً سياسيةً أهميته، ولا تزال السياسات الجديدة في "الخطة الخمسية الرابعة عشرة" تدفع عجلة تطويره.
فصل الأغشية في معالجة المياه: تحويل الصناعة
تظل معالجة المياه المجال الأكبر والأكثر نضجًا في مجال فصل الأغشية، حيث تُعدّ تحلية المياه وتنقية مياه الشرب تطبيقاتها الرئيسية. تُفسر هذه الهيمنة استحواذ أغشية التناضح العكسي على أعلى حصة سوقية في الصين والعالم.
من أبرز المشاريع الفائزة بجوائز هذا العام، مشروع "التكنولوجيا الرئيسية وتطبيقات معالجة المياه الغشائية الجديدة"، الذي يتضمن إنجازاتٍ رائدة في مجال أغشية فصل المياه فائقة النقاء، وهي أغشية بالغة الأهمية في تصنيع أشباه الموصلات، وابتكارات في مجال معالجة المياه الملوثة نوويًا. ويمثل نجاح توطين هذه الأغشية المتطورة، التي كانت حكرًا سابقًا على الشركات الأجنبية، خطوةً كبيرةً إلى الأمام في قطاع التكنولوجيا الصيني.
فعلى سبيل المثال، طورت شركات صينية مثل شركة وارتون للتكنولوجيا المحدودة أغشية مياه فائقة النقاء خاصة بها، وهي سلسلة UE، والتي تُستخدم حاليًا في العديد من مشاريع الإلكترونيات الدقيقة عالية التقنية. ولمزيد من دعم هذا النمو، أصدرت جمعية صناعة الأغشية الصينية عدة معايير جماعية، منها:
المتطلبات الفنية لمكونات غشاء الترشيح الفائق للمياه فائقة النقاء في صناعة أشباه الموصلات (T/ZGM 011-2023)،
معايير أغشية التناضح العكسي الحلزونية (T/ZGM 012-2023)،
مجموعات أغشية إزالة الأيونات الكهربائية (T/ZGM 013-2023).
وتساعد هذه المعايير الشركات المحلية على تلبية المعايير العالمية، ودفع الابتكار في المنتجات، وتعزيز التنمية عالية الجودة لصناعة الأغشية في الصين.
معالجة مياه الصرف الصحي: تحويل التلوث إلى موارد
تُحدث تقنية فصل الأغشية ثورةً في معالجة مياه الصرف الصحي. ومع تشديد اللوائح البيئية في الصين، تواجه الصناعات ضغوطًا هائلة لمعالجة مياه الصرف الصحي بفعالية وبتكلفة منخفضة. وقد دفعت المعضلة التقليدية المتمثلة في الموازنة بين تكاليف المعالجة والمسؤولية البيئية العديد من الشركات إلى ممارسات تصريف غير مشروعة لتخفيف العبء المالي.
ومع ذلك، عند تطبيقه بفعالية، يُمكن لفصل الأغشية أن يجعل معالجة مياه الصرف الصحي ليس مجرد ضرورة بيئية فحسب، بل مشروعًا مربحًا أيضًا. على سبيل المثال، مشروع "تكنولوجيا تحضير ودمج الأغشية من أجل انبعاثات صفرية لمياه الصرف الصحي الناتجة عن عملية استخلاص اللب"، بقيادة البروفيسور شينغ ويهونغ وبإشراف شو نانبينغ، عضو الأكاديمية الصينية للهندسة. بنى هذا المشروع أول تجربة عالمية خالية من الانبعاثات لمياه الصرف الصحي الناتجة عن استخلاص اللب، قادرة على معالجة 40,000 ألف طن يوميًا. وقد أعاد هذا المشروع إحياء مشروع نانتونغ برينس لصناعة الورق، الذي كان على وشك الانهيار، محققًا تحولًا جذريًا بقيمة 10 مليارات يوان.
ومن النجاحات الحديثة الأخرى مجمع الصناعات الكيميائية الدقيقة في مجمع بينغلو الصناعي بنينغشيا. عانى المجمع تاريخياً من التلوث، وواجه قيوداً صارمة نتيجة عجزه عن تحقيق التوازن بين الطلب على المياه وتصريف النفايات. واستجابةً لذلك، تم إطلاق أول مشروع في الصين لمعالجة مياه الصرف الصحي في مجمع كيميائي دقيق، بهدف تحقيق صفر تصريف. وقد نفّذت شركة ميفنغ للبيئة هذا المشروع، الذي استخدم تقنية فصل الأغشية المتقدمة لإعادة استخدام مياه الصرف الصحي بالكامل دون تصريف خارجي. تحوّل هذه العملية المحلول الملحي إلى أملاح صناعية عالية الجودة، يُعاد استخدامها في الإنتاج، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف التخلص من النفايات.
يتميز نظام الأغشية المستخدم في هذا المشروع بمعدل استرداد يبلغ 98.6%، مما يقلل من هدر الملح غير النقي بنسبة 95% مقارنةً بالطرق التقليدية. يُمكّن هذا الإنجاز الحديقة من معالجة 10,000 طن من مياه الصرف الصحي يوميًا، مما يُلبي احتياجاتها الإنتاجية، مع إعادة استخدام المياه في تشجير الحدائق والمرافق الحضرية.
تنقية الغاز وفصله: الابتكار والكفاءة
إلى جانب معالجة المياه، تُحرز تقنية فصل الأغشية تقدمًا ملحوظًا في مجال تنقية الغاز، وهو مجال حيوي للصناعات التي تُكافح لتحسين جودة الهواء والانبعاثات. لطالما استُخدمت الطرق التقليدية، مثل أنظمة إزالة الغبار بالأكياس والأعاصير والكهرباء الساكنة، لإدارة الغبار، بينما تُستخدم تقنيات الامتزاز والتكثيف والاحتراق والامتصاص الكيميائي للتحكم في المركبات العضوية المتطايرة (VOCs). ومع ذلك، تُواجه هذه التقنيات التقليدية صعوبة في التعامل مع الغبار فائق الدقة وغازات النفايات الصناعية المعقدة بفعالية، خاصةً عند الحاجة إلى استرداد كبير للموارد. في المقابل، تُبرز تقنية فصل الأغشية كبديل موفر للطاقة وعالي الأداء، وقادر على تلبية معايير الانبعاثات مع تمكين استرداد موارد قيّمة.
ومن أبرز الأمثلة على ذلك المشروع الحائز على جوائز "ابتكار وتطبيق مواد غشائية لتنقية الغازات"، بقيادة فريق البروفيسور جين وانكين من مختبر الهندسة الكيميائية للمواد الرئيسي بجامعة نانجينغ التقنية. وقد وضعت ابتكاراتهم الرائدة في مجال مواد الأغشية معيارًا جديدًا لإزالة الغبار فائق الدقة (عند مستويات دون الميكرون) والمركبات العضوية من غازات المداخن الصناعية، مع استعادة المساحيق والمذيبات عالية القيمة المضافة.
كسر الحواجز في تنقية الغاز باستخدام تقنية الأغشية
طوّر فريق البروفيسور جين طريقة تصميم مبتكرة لأغشية فصل الغاز عن المواد الصلبة، مثبتًا بذلك صلة بين أداء هيكل الغشاء ومعايير التحكم. وتتفوق أغشية تنقية الغاز التي ابتكروها على المعايير الدولية، إذ تتميز بنفاذية هواء أعلى بنسبة تزيد عن 30% ومتانة ميكانيكية أفضل بنسبة 198%. وتستطيع هذه الأغشية إزالة 99.99% من الغبار فائق الدقة الذي يبلغ حجمه 0.3 ميكرون، متجاوزةً بذلك المعايير العالمية بكثير.
يُعدّ التلوث الزيتي بالهباء الجوي أحد التحديات الرئيسية في مجال تنقية الغازات الصناعية، إذ يُمكن أن يُشكّل طبقات تلوث على مواد الترشيح التقليدية، مما يُضعف أدائها بمرور الوقت. ولمعالجة هذا التحدي، قدّم الفريق طريقةً وظيفيةً موضعيةً بمساعدة الحرارة لجعل الأغشية كارهةً للماء والزيوت في آنٍ واحد. يُتيح هذا الابتكار تحكمًا دقيقًا في التصاق الأغشية وقابليتها للبلل، مما يُنتج غشاءً مزدوجًا طاردًا للتلوث، ويمنح عمرًا افتراضيًا أطول.
التطبيقات الواقعية والتأثير الاقتصادي
تُستخدم أغشية تنقية الغاز التي طورها فريق البروفيسور جين على نطاق واسع في مختلف الصناعات. وقد تبنّى أكثر من 200 مشروع هذه التقنية، بما في ذلك مشاريع لشركات كبرى مثل سينوبك، وهينغي للبتروكيماويات، وجيانغسو هواتشانغ للكيماويات. تمتد هذه المشاريع في 25 مقاطعة ومنطقة ذاتية الحكم في الصين، مما يُسهم بشكل كبير في معالجة غازات النفايات الصناعية. تتميز هذه الأغشية بفعالية خاصة في معالجة الغازات المحتوية على الكلور والأدخنة الملوثة بالنفط، وهي مجالات غالبًا ما تعجز فيها التقنيات التقليدية.
حتى الآن، عالجت تقنية الأغشية هذه أكثر من 300 مليار متر مكعب من الغاز الصناعي، واستعادت مساحيق عالية القيمة المضافة ومذيبات عضوية بقيمة تزيد عن مليار يوان. وكانت الفوائد الاقتصادية والبيئية كبيرة، مما يُظهر أن تقنية الأغشية لا تقتصر على تنظيف الانبعاثات الصناعية فحسب، بل تُحوّل النفايات إلى ثروة أيضًا.
كيف تعمل أغشية فصل الغازات
تعمل أغشية فصل الغازات بمبدأ بسيط: يُحفّز فرق الضغط الجزئي على جانبي الغشاء فصل مكونات الغاز. تتخلل جزيئات الغاز المختلفة الغشاء بمعدلات متفاوتة. تتراكم الجزيئات الأسرع على جانب النفاذية، بينما تبقى الجزيئات الأبطأ على جانب التغذية، مما يُمكّن من فصل الغازات المختلطة.
بالمقارنة مع الطرق التقليدية مثل التبريد العميق، وامتصاص التأرجح بالضغط، والامتصاص الكيميائي، تقدم تقنية الأغشية مجموعة من المزايا:
التشغيل في درجة حرارة الغرفة: لا حاجة لدرجات حرارة عالية، مما يجعله أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.
البساطة والقدرة على التعديل: المعدات بسيطة ويمكن توسيع نطاقها بسهولة أو تكييفها لتناسب احتياجات فصل الغاز المختلفة.
كفاءة عالية: فهي قادرة على التعامل مع مجموعة واسعة من الغازات بدقة فصل مذهلة.
وجدت هذه التقنية متعددة الاستخدامات تطبيقات ناجحة في العديد من الصناعات. على سبيل المثال، تُستخدم في استخلاص الهيدروجين في صناعة تخليق الأمونيا، ومعالجة غازات العادم في العمليات البتروكيماوية، وأنظمة تخصيب الأكسجين والنيتروجين. وقد أثبتت هذه التطبيقات العملية الجدوى العملية والاقتصادية لفصل الأغشية لتنقية الغاز.
الهيليوم: "الغاز الذهبي" الذي يُغذي الصناعات التكنولوجية المتقدمة وسباق الصين نحو الاكتفاء الذاتي
يلعب الهيليوم، الذي يُطلق عليه غالبًا "الغاز الذهبي"، دورًا محوريًا في مجموعة واسعة من الصناعات، بدءًا من التطبيقات العسكرية وعمليات البتروكيماويات، ووصولًا إلى التقنيات الطبية، وتصنيع أشباه الموصلات، والغوص في أعماق البحار. وهو عنصر أساسي في تجارب الموصلية الفائقة والتبريد بالتبريد العميق، مما يجعله موردًا نادرًا واستراتيجيًا بالغ الأهمية للصناعات العالمية عالية التقنية.
رغم حجمها الصناعي الهائل، تواجه الصين ندرةً في الهيليوم، حيث يعتمد أكثر من 95% من إمداداتها منه على الواردات. وتقدر احتياطياتها بنحو 1.1 مليار متر مكعب من الهيليوم، إلا أن حوالي 50 مليون متر مكعب فقط قابلة للاستخراج، أي ما يعادل 0.1% فقط من الاحتياطيات العالمية. وقد حفّز هذا الاعتماد الكبير على الواردات الأجنبية إجراء أبحاث عاجلة في تقنياتٍ تُمكّن من استغلال الهيليوم منخفض التركيز الموجود في الغاز الطبيعي (يتراوح محتواه بين 0.1 و0.3%)، مما يُخفّض التكاليف بشكل كبير. وإذا استُغلّت هذه الموارد بكفاءة، يُمكن للصين تلبية أكثر من 40% من طلبها المحلي على الهيليوم.
التحديات والحلول في استخراج الهيليوم
تتميز الطرق التقليدية لاستخلاص الهيليوم، وخاصةً التقطير بالتبريد العميق، بميزة إنتاج هيليوم عالي النقاء، إلا أنها تأتي مع عيوب كبيرة. فتكاليف الإنتاج المرتفعة، والاستثمار الضخم في المعدات، والاستهلاك الهائل للطاقة، كلها عوامل تحد من قابلية التوسع وكفاءة الطرق بالتبريد العميق. وللتغلب على هذه التحديات، ركز الباحثون على دمج تقنية فصل الأغشية مع التقطير بالتبريد العميق وامتصاص تأرجح الضغط (PSA). يُقلل هذا النهج الهجين بشكل كبير من استهلاك الطاقة وتكاليف المعدات، مع الحفاظ على القدرة على استخلاص هيليوم عالي النقاء. ونتيجةً لذلك، أصبح مجالًا بحثيًا رئيسيًا، وقد طُبق بنجاح في العديد من المشاريع في جميع أنحاء الصين.
إنجازات في إنتاج الهيليوم المحلي
حققت شركة سينوبك إنجازًا كبيرًا بتشغيل أول مشروع لتنقية الهيليوم في جنوب غرب الصين، وتحديدًا في محطة فولينغ للغاز الطبيعي المسال التي تديرها شركة سينوبك تشونغتشينغ للبترول. والجدير بالذكر أن غشاء تنقية الهيليوم المستخدم في هذا المشروع طُوّر بالكامل داخل الصين، ما يُمثل إنجازًا هامًا في تجاوز العقبات التقنية التي كانت حكرًا على الولايات المتحدة واليابان في مجال أغشية فصل الهيليوم القائمة على البوليمرات. ويُعدّ هذا الإنجاز خطوةً هامة نحو تقليل اعتماد الصين على مصادر الهيليوم الأجنبية.
تحقق إنجازٌ آخر بفضل جهود معهد أبحاث الفحم الصيني، الذي تعاون مع مجموعة ياوجي للفحم والكهرباء لتطوير عملية متكاملة لاستخلاص الهيليوم من غاز الميثان المستخرج من طبقات الفحم. وقد حققت هذه العملية، التي تجمع بين امتزاز تأرجح الضغط والفصل الغشائي والتكرير، تطورات تكنولوجية هامة في استخلاص الهيليوم. ونجح الفريق في التغلب على تحديات إزالة الكربون وتركيز الهيليوم في غاز الميثان متعدد المكونات المستخرج من طبقات الفحم، محققًا مستويات نقاء للهيليوم تتجاوز 99.9999%. وتم تشغيل أول منشأة في العالم لاستخلاص الهيليوم عالي النقاء من غاز الميثان المستخرج من طبقات الفحم، بسعة 36,000 متر مكعب يوميًا، مما يثبت مجددًا أن الصين قد أتقنت تمامًا عملية استخلاص الهيليوم من غاز الميثان المستخرج من طبقات الفحم.
التطبيقات المبتكرة لتكنولوجيا الأغشية في استخلاص الهيليوم
حقق معهد الصين لأبحاث تكنولوجيا الهندسة إنجازًا تقنيًا جديدًا بتطبيق نظام فصل وتنقية الهيدروجين والهيليوم في مشروع استخلاص الهيليوم من غاز الميثان المتبخر (BOG) في لوليانغ، شانشي. وقد وضع هذا النظام، الذي يدمج أحدث تقنيات استخلاص الهيليوم من غاز الميثان المتبخر باستخدام الامتزاز بتقلب الضغط، والفصل الغشائي، وإزالة الهيدروجين بالامتزاز، معيارًا جديدًا لاستخلاص الهيليوم. ولا يقتصر دور هذا النظام المبتكر على فصل وتنقية الهيليوم بنسبة نقاء تتجاوز 99.999% فحسب، بل ينتج أيضًا هيدروجينًا عالي النقاء بمستويات نقاء مماثلة.
يتيح هذا النهج الجديد فصل الهيليوم وتنقيته وتنقيته بشكل تقريبي في درجة حرارة الغرفة، مما يوفر الكفاءة والمرونة. وقد أثبت المشروع بنجاح استقرارًا تشغيليًا طويل الأمد في درجات حرارة منخفضة، مما يثبت أن هذه التقنيات ليست مجدية فحسب، بل قابلة للتطوير أيضًا للاستخدام الصناعي.
مستقبل استخراج الهيليوم في الصين
مع سعي الصين نحو مزيد من الاستقلال في توريد المواد الاستراتيجية، ستلعب التطورات في تكنولوجيا فصل الأغشية لاستخراج الهيليوم دورًا محوريًا. ومن خلال دمج أنظمة الأغشية مع أساليب متقدمة أخرى، مثل التقطير بالتبريد العميق وامتصاص التأرجح بالضغط، بدأت الصين بالفعل في تحقيق تقدم كبير نحو تقليل اعتمادها على الواردات. وتتمتع هذه التقنيات بإمكانية إحداث تحول جذري في سلسلة توريد الهيليوم في الصين، مما يسمح للبلاد بالاستفادة من احتياطياتها من الغاز الطبيعي لتلبية جزء كبير من احتياجاتها المحلية من الهيليوم.
في عصرٍ تتزايد فيه أهمية الهيليوم في الصناعات المتطورة، بما في ذلك الفضاء، والحوسبة الكمومية، وحتى الطاقة النظيفة، يُمثل تقدم الصين في استخراج الهيليوم خطوةً مهمةً ليس فقط لاستراتيجيتها الصناعية، بل أيضًا لمشهد التكنولوجيا المتقدمة العالمي. ومع استمرار ارتفاع الطلب على هذا "الغاز الذهبي"، فإن الجمع بين الابتكار المحلي، وتقنيات الاستخراج المتقدمة، والاستشراف الاستراتيجي، قد يضع الصين في موقعٍ رياديٍّ مستقبليٍّ في سوق الهيليوم العالمي.
