فن آوری جدید تصفیه آب می تواند به بازیافت حتی آب های فوق شور کمک کند

16 مه 2023 -توسط کیتلین مک درموت مورفی، آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر-چکیده گرافیکی اعتبار: نمک زدایی (2023). DOI

از آنجایی که تغییرات آب و هوایی شعله ی خشکسالی بزرگ در جنوب غربی ایالات متحده را به دنبال دارد، این کشور رکوردهای نگران کننده ای را ثبت می کند. سطح آب دریاچه مید که آب میلیون ها نفر را تامین می کند، به پایین ترین حد خود رسیده است. و در برخی نقاط، رودخانه کلرادو در حال کاهش، که حدود 5 میلیون هکتار زمین کشاورزی را آبیاری می کند و تشنگی بیش از 40 میلیون نفر را سیراب می کند، فقط بیابان و گرد و غبار است.

در همین حال، از سال 2018، حدود 80 درصد از فاضلاب کشور – از جمله آب مورد استفاده در کشاورزی، نیروگاه‌ها و معادن – هدر می‌شود، بدون تصفیه و غیرقابل استفاده، که فرصتی تلف شده است. و اگرچه فناوری‌های امروزی تصفیه که از فرآیندی به نام اسمز معکوس استفاده می‌کنند، همچنان مقرون‌به‌صرفه‌ترین و کم‌هزینه‌ترین روش برای تصفیه آب دریا و آب‌های زیرزمینی شور هستند، اسمز معکوس معمولی نمی‌تواند آب‌های فوق‌شور را مدیریت کند. محتوای نمک اقیانوس از آنجایی که ذخایر آب ایالات متحده کاهش می یابد (و شورتر می شود)، این کشور دیگر نمی تواند حتی شورترین منابع را به جهان بازگرداند.

اکنون، در مطالعه جدیدی که در Desalination منتشر شده است، اعضای کنسرسیوم تحقیقاتی اتحاد ملی برای نوآوری در آب (NAWI) شکل نوظهوری از اسمز معکوس به نام اسمز معکوس با دفع کم نمک را تجزیه و تحلیل کردند. این سیستم‌های جدید می‌توانند حتی آب بسیار شور را تصفیه کنند. اما طراحی آن به قدری جدید است که هنوز تئوری است.

بنابراین، برای یادگیری نحوه رقابت این فناوری‌ها با دیگر گزینه‌های تصفیه آب، تیم تحقیقاتی NAWI یک مدل ریاضی ایجاد کرد که می‌تواند با کمک یک ابررایانه، به سرعت هزینه، خروجی آب پاک و مصرف انرژی بیش از 130000 سیستم بالقوه طرح ها را ارزیابی کند.. نتایج آنها نشان می دهد که در بسیاری از موارد، اسمز معکوس با دفع کم نمک می تواند مقرون به صرفه ترین انتخاب باشد و به طور بالقوه هزینه کلی تولید آب تمیز را تا 63 درصد کاهش دهد.

آدام عطیا مهندس ارشد در آزمایشگاه ملی فناوری انرژی و نویسنده اصلی مقاله گفت: “هدف نهایی این تحقیق انجام یک ارزیابی فنی-اقتصادی کامل از یک فناوری جدید است که هنوز در دنیای واقعی آزمایش نشده است، اما پتانسیل آن را دارد که نمک‌زدایی با بازیابی آب بالا را ممکن کند.”.

اگرچه مطالعات کمی هزینه و کارایی بالقوه سیستم‌های اسمز معکوس با دفع کم نمک را ارزیابی کرده‌اند، این مطالعه تحلیل جامع‌تری از طراحی و عملکرد آنها ارائه می‌کند. برای درک بهتر وعده‌های بالقوه این سیستم‌های نظری، تیم از یک ابر رایانه برای بهینه‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین طرح‌ها استفاده کرد. آنها سپس بررسی کردند که چگونه این طرح ها ممکن است در صدها هزار سناریو (در مقابل تعداد انگشت شماری) عمل کنند.

از آنجایی که سیستم‌های اسمز معکوس با دفع کم نمک اجازه عبور نمک بیشتری از هر غشا را می‌دهند، به نیروی کمتری و در نتیجه انرژی کمتری نیاز دارند تا آب را از آن عبور دهند. اما، اگر نمک بیشتری بتواند از بین برود، تعجب آور نیست که آب به دست آمده، هنوز برای نوشیدن آنقدر شور است. برای تولید آب آشامیدنی، این آب هنوز خیلی شور دوباره به مراحل غشایی قبلی بازیافت می‌شود. هنگامی که محتوای نمک به اندازه کافی کم شد، اسمز معکوس استاندارد می تواند از بقیه آب آشامیدنی با کیفیت بالا تولید کند.

تمام آن بازیافت به پیچیدگی سیستم می افزاید. بنابراین، تیم باید دریابد: چند مرحله غشایی بهینه است؟ چند حلقه بازیافت مورد نیاز است؟ و این حلقه ها چقدر هزینه و انرژی اضافه می کنند؟ برای پاسخ به این سؤالات، محققان می توانند به صورت جداگانه محاسبه کنند که هر طرح چقدر آب تمیز می تواند از آب هایی با غلظت های مختلف نمک تولید کند.

اتان یانگ، محقق آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL) و نویسنده این مطالعه گفت: «این به طور بالقوه زمان زیادی را برای حل آن‌ها می‌برد.» “ما توانستیم این کار را در چند دقیقه با محاسبات با عملکرد بالا انجام دهیم.”

و در آن چند دقیقه نه یک، بلکه صدها هزار سناریوی بالقوه را بررسی کردند.

برنارد (بن) کنوون، محقق و نویسنده NREL، اضافه کرد: «جدید بودن مطالعه ما قدرت نیروی محاسباتی است که ما در این تحلیل به کار بردیم».

یانگ گفت، بدون ابررایانه، تمام این محاسبات به جای یک ساعت یا حتی چند دقیقه، حدود 88 روز طول می کشد. البته این ابرکامپیوتر به جادوی ریاضی Knueven و Young نیز برای حل سریع و دقیق این مسائل پیچیده طراحی نیاز داشت.

با تمام این ریاضیات سریع، این تیم کشف کرد که اسمز معکوس با دفع کم نمک می تواند از رقبای خود هم در هزینه و هم در مصرف انرژی بهتر عمل کند – حداقل برای آبی که کمتر از 125 گرم نمک در هر لیتر دارد. اما مدل این تیم همچنین می‌تواند به سایر تیم‌های تحقیقاتی کمک کند تا امیدوارکننده‌ترین طرح‌های سیستم را شناسایی، بسازند و آزمایش کنند.

امیدکنوون گفت، با انجام این تحلیل‌های محاسباتی، می‌توانیم اطلاعاتی به تجربی‌شناسان بدهیم تا بگویند: «اوه، اینجا یک چیز جالب برای مطالعه است» یا، «نه، احتمالاً این موضوع کاملاً منتفی است».

این مدل را نیز می‌توان گسترش داد تا به آزمایش‌گران کمک کند تا به طور کلی بهترین طرح‌ها را برای سیستم‌های اسمز معکوس پیدا کنند. مطالعه آنها اولین موردی است که هم از پلتفرم ارزیابی تکنواقتصادی تصفیه آب NAWI (WaterTAP) استفاده کرده و به آن اضافه می کند. یک ابزار نرم‌افزاری در دسترس عموم، WaterTAP به کاربران این قدرت را می‌دهد تا فناوری‌های مختلف تصفیه آب را مدل‌سازی و شبیه‌سازی کنند و هزینه، انرژی و معاوضه‌های زیست‌محیطی آن‌ها را ارزیابی کنند.

Knueven درباره WaterTAP که از طریق همکاری بین NREL، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، آزمایشگاه ملی فناوری انرژی، آزمایشگاه ملی اوک ریج و اعضای هیئت رئیسه دانشگاه کالیفرنیا ساخته شده است، گفت: “فکر می کنم خیلی عالی است. ما در حال ساخت ابزاری هستیم که می تواند به ما و سایر محققان کمک کند تا پتانسیل فناوری های جدید و هیجان انگیز را ارزیابی کنیم.”.

در مرحله بعد، محققان امیدوارند با تیم‌های آزمایشی همکاری کنند تا نحوه عملکرد سیستم‌های اسمز معکوس با دفع کم نمک در دنیای واقعی را بسازند و ارزیابی کنند. برای مثال، تجمع مواد معدنی می‌تواند سرعت سیستم را کند کند و باید در ارزیابی‌های آتی در نظر گرفته شود.

آتیا گفت، با این وجود، این شکل نوظهور اسمز معکوس می تواند ابزار ارزشمندی برای به حداکثر رساندن بازیافت آب از منابع با شوری بالا باشد. او گفت: «و مدل ما می‌تواند نقش کلیدی در حمایت از استقرار این فناوری ایفا کند.

Knueven گفت: “برای من، این نمایشی است از آنچه که ما می توانیم با کمی محاسبات و کمی بهینه سازی انجام دهیم.”