غشاء شبه منفذ

تُعدّ الطبقة الثنائية من الفوسفوليبيدات مثالًا على غشاء بيولوجي شبه نفاذ. تتكون من طبقتين متوازيتين متقابلتين من الفوسفوليبيدات المرتبة بانتظام . يتكون كل فوسفوليبيد من رأس فوسفاتي واحد وذيلين من الأحماض الدهنية . ^{[ 3 ]} يُعدّ الغشاء البلازمي الذي يُحيط بجميع الخلايا البيولوجية مثالًا على طبقة ثنائية من الفوسفوليبيدات . ^{[ 2 ]} يتميز الغشاء البلازمي بنفاذية عالية جدًا ، مما يعني أنه يتحكم بدقة في المواد التي تدخل الخلية وتخرج منها. نظرًا لانجذاب رؤوس الفوسفات إلى محتوى الماء داخل الخلية وخارجها (أو خصائصها المحبة للماء )، فإنها تتجمع على طول السطحين الخارجي والداخلي للغشاء البلازمي، بينما تُشكّل الذيول الكارهة للماء الطبقة الداخلية للغشاء. كما توجد جزيئات الكوليسترول في جميع أنحاء الغشاء البلازمي وتعمل كمنظم لسيولة الغشاء . ^{[ 3 ]} تكون الطبقة الثنائية من الفوسفوليبيدات أكثر نفاذية للمواد المذابة الصغيرة غير المشحونة . تُدمج قنوات البروتين في الفوسفوليبيدات أو تخترقها، ^{[ 4 ]} ويُعرف هذا النموذج مجتمعًا باسم نموذج الفسيفساء السائل . الأكوابورينات هي مسام قنوات بروتينية نفاذة للماء.

يمكن للمعلومات أيضًا أن تنتقل عبر الغشاء البلازمي عندما ترتبط جزيئات الإشارة بالمستقبلات الموجودة في غشاء الخلية. يرتبط هذا الارتباط بالمستقبلات، مما يُغير بنية هذه البروتينات. ^{[ 5 ]} يُحفز هذا التغيير في بنية البروتين سلسلة من الإشارات. ^{[ 5 ]} تُعد إشارات مستقبلات البروتين G المقترنة مجموعة فرعية مهمة من عمليات الإشارة هذه. ^{[ 6 ]}

نظرًا لأن الطبقة الدهنية الثنائية شبه نفاذة، فإنها تخضع للضغط الأسموزي . ^{[ 7 ]} عندما تزداد أو تقل تركيزات المواد المذابة حول الخلية، يتسبب الضغط الأسموزي في تدفق الماء إلى داخل الخلية أو خارجها لتحقيق التوازن . ^{[ 8 ]} يثبط هذا الإجهاد الأسموزي الوظائف الخلوية التي تعتمد على نشاط الماء داخلها، مثل عمل أنظمة الحمض النووي والبروتين، والتكوين السليم للغشاء البلازمي. ^{[ 9 ]} قد يؤدي ذلك إلى صدمة أسموزية وموت الخلية . التنظيم الأسموزي هو الطريقة التي تقاوم بها الخلايا الإجهاد الأسموزي، ويتضمن نواقل حسية أسموزية في الغشاء تسمح لأيونات البوتاسيوم ^{[ ملاحظة 1 ]} وجزيئات أخرى بالتدفق عبر الغشاء. ^{[ 8 ]}

يُطلق على تدفق الماء بكميات كبيرة عبر غشاء شبه منفذ نتيجةً لاختلاف الضغط الأسموزي اسم التناضح . يسمح هذا التدفق بمرور جزيئات معينة فقط، بما في ذلك الماء، بينما تبقى المواد المذابة، كالأملاح والملوثات الأخرى. في عملية التناضح العكسي ، يُنقى الماء بتطبيق ضغط عالٍ على محلول، مما يدفع الماء عبر غشاء مركب رقيق (TFC أو TFM). هذه أغشية شبه منفذة تُصنع أساسًا لأنظمة تنقية المياه أو تحليتها . كما تُستخدم أيضًا في تطبيقات كيميائية مثل البطاريات وخلايا الوقود. باختصار، مادة TFC عبارة عن منخل جزيئي مُصمم على شكل غشاء من مادتين أو أكثر. وقد اخترع سيدني لوب وسرينيفاسا سوريرجان أول غشاء صناعي شبه منفذ عملي. ^{[ 12 ]} الأغشية المستخدمة في التناضح العكسي مصنوعة بشكل عام من البولي أميد ، الذي يتم اختياره في المقام الأول لنفاذيته للماء وعدم نفاذيته النسبية للشوائب المذابة المختلفة بما في ذلك أيونات الملح والجزيئات الصغيرة الأخرى التي لا يمكن ترشيحها.

تجديد أغشية التناضح العكسي

تتميز وحدات أغشية التناضح العكسي بدورة حياة محدودة، وقد سعت العديد من الدراسات إلى تحسين أداء العملية وإطالة عمر أغشية التناضح العكسي. ومع ذلك، حتى مع المعالجة المسبقة المناسبة لمياه التغذية، فإن عمر الأغشية يقتصر عمومًا على خمس إلى سبع سنوات.

تُصنّف وحدات أغشية التناضح العكسي المُهملة حاليًا على مستوى العالم ضمن النفايات الصلبة الخاملة، وغالبًا ما تُدفن في مكبات النفايات، مع إمكانية محدودة لإعادة استخدامها. وتشير التقديرات إلى أن كتلة الأغشية المُهملة سنويًا على مستوى العالم تصل إلى 12,000 طن. وبالمعدل الحالي، يُمثّل التخلص من وحدات التناضح العكسي آثارًا سلبية كبيرة ومتزايدة على البيئة، مما يستدعي الحد من التخلص المباشر من هذه الوحدات.

يمكن إعادة تدوير أغشية التناضح العكسي المهملة من عمليات تحلية المياه لاستخدامها في عمليات أخرى لا تتطلب معايير الترشيح المكثفة لتحلية المياه، ويمكن استخدامها في تطبيقات تتطلب أغشية الترشيح النانوي. ^{[ 13 ]}

خطوات عملية التجديد

1. المعالجة الكيميائية

إجراءات كيميائية تهدف إلى إزالة التلوث من الغشاء المستهلك؛ يتم استخدام العديد من العوامل الكيميائية؛ مثل:

• هيدروكسيد الصوديوم (قلوي)
• حمض الهيدروكلوريك (حمضي)
• عوامل الاستخلاب مثل حمض الستريك وحمض الأكساليك

هناك ثلاثة أشكال لتعرض الأغشية للمواد الكيميائية؛ الغمر البسيط، أو إعادة تدوير عامل التنظيف، أو الغمر في حمام الموجات فوق الصوتية.

2. العلاج المؤكسد

تتضمن هذه الخطوة تعريض الغشاء لمحاليل مؤكسدة لإزالة طبقة البولي أميد العطرية النشطة الكثيفة، ثم تحويله إلى غشاء مسامي. تُستخدم عوامل مؤكسدة مثل هيبوكلوريت الصوديوم (10-12%) وبرمنجنات البوتاسيوم. _[ ^{14 ] تعمل} هذه العوامل على إزالة التلوث العضوي والبيولوجي من أغشية التناضح العكسي، كما تُطهّر سطح الغشاء، مانعةً نمو البكتيريا والكائنات الدقيقة الأخرى.

يُعد هيبوكلوريت الصوديوم العامل المؤكسد الأكثر فعالية من حيث النفاذية وفصل الأملاح.

تُستخدم أنابيب غسيل الكلى في غسيل الكلى لتنقية الدم في حالات الفشل الكلوي . وتعتمد هذه الأنابيب على غشاء شبه نفاذ لإزالة الفضلات قبل إعادة الدم النقي إلى المريض. ^{[ 15 ]} وتؤدي الاختلافات في الغشاء شبه النفاذ، مثل حجم المسام، إلى تغيير معدل ونوع الجزيئات المُزالة. تقليديًا، كانت تُستخدم أغشية السليلوز ، ولكنها قد تُسبب استجابات التهابية لدى المرضى. وقد طُوّرت أغشية اصطناعية أكثر توافقًا حيويًا وتُقلل من الاستجابات الالتهابية. ^{[ 16 ]} ومع ذلك، ورغم زيادة التوافق الحيوي، لم يُثبت أن الأغشية الاصطناعية تُساهم في خفض معدل الوفيات. ^{[ 15 ]}