آینده نگری برای سیستمهای آب شیرین کن

تهیه و تدوین : گروه تحقیق کل نگاربا همکاری سارا نوری لطیف

تصویر وضعیت فعلی و اینده با اعمال برنامه های تامین و مدیریت آب در عرصه بین المللی .

مقدمه

همانگونه که در نگاره ی فوق مشاهده می شود وضعیت کشورمان در ارتباط با منابع و سیستمهای تامین و مدیریت آب در شرایط بحرانی بسر می برد و از نگاه کارشناسان بین المللی اقدامات جامعی نیز در حال پیگیری نیست . این یعنی اینکه در آینده این بحران تشدید می شود و بایستی کارهای متهورانه و با اثرات تحولات اساسی برنامه ریزی شود .

آب امروز یکی از چالشهای اصلی کشور است . در کنار این مشکل بزرگ یکی از مشکلاتی که هم اکنون بروز نموده است این است که توافق بر سر اینکه با چه رویکرد و برنامه استراتژیکی و یا با چه نقشه راهی به این موضوع پرداخته می شود و دستیابی به اهداف چگونه ارزیابی میشود؟ کدام هدف به کدام شاخص ها بستگی دارد؟ و بسیاری سوالات دیگر نا معین است .

نگاهی به روزنامه ها و مطالب منتشره در ابواب مختلف در خصوص موضوعات آب نیز مشاهده میشود که دراین راستا مفاهیم تعریف شده، دقیق و توافق شد بعنوان مبانی و اصول برای تعیین اهداف کمی، شاخصها، نحوه ارزیابی، اصلاح روشها و غیره بوجود نیامده است.

با توجه به ارزشهای موجود در سواحل جنوبی کشور توسعه ساخت و تولید آب شیرین کن از طریق ایجاد یک خوشه صنعتی و نیز یک پلتفرم تکنولوژی برای مدیریت فناوری و توسعه آن در آینده بایستی موارد زیر را بعنوان خطوط هادی در نظر داشت :

• تعامل اثر بخش بین تحقیقات پایه و تحقیق و توسعه کاربردی، بوجود آورد .

• نظام آموزش عالی با ید با صنعت بصورت هدفمند برای اهداف بلند مدت و موضوعات بحرانی درگیر شود .

• فاصله(gap) فناوری میان سطح فناوری مورد استفاده در بازار داخلی و سطح فناوری در دنیا برطرف شود .

• محیط کارآفرینی و ظرفیت مدیران بنگاههای محلی برای انجام سرمایه¬گذاری مخاطره پذیر و توانایی¬های سازمانی توسعه یابد .

• همکاری بین المللی برای استفاده از آزمایشگاهها و آموزش حرفه ای دانش پژوهان امکان پذیر شود.

در این گزارش به جنبه هایی از این موضوع پرداخته می شود .

آینده سیستمهای نمک زدایی

توسط رومن گورگن – 2 آگوست 2022

– https://geographical.co.uk/science-environment/the-future-of-desalination

منابع آب آشامیدنی جهان در خطر است و کارخانه‌های نمک‌زدایی قرار است آب شور بیشتری را قابل شرب کنند. اما برای پایدار و مقرون به صرفه کردن این فرآیند، فناوری‌های جدید و بهبودیافته باید بیشتر توسعه یابند.

این پایان مبارزه ای بود که تقریباً یک دهه به طول انجامید. در 12 مه 2022، کمیسیون ساحلی کالیفرنیا، که دارای اختیار قانونی برای حفاظت از خط ساحلی ایالت ایالات متحده است، به رد مجوز ساخت کارخانه بزرگ نمک‌زدایی آب دریا که پیشنهاد شده بود در نزدیکی ساحل هانتینگتون احداث شود، رای داد. از زمانی که درخواست ساخت کارخانه در سال 2013 ارائه شد، این پروژه بزرگ بین کارشناسان، سیاستمداران و فعالان اختلاف ایجاد کرده است. به گفته هواشناسان، جنوب غربی ایالات متحده، و به ویژه کالیفرنیا، ده ها سال است که گرفتار خشکسالی ویرانگر بوده است – به گفته هواشناسان، بدترین خشکسالی در حدود 1200 سال اخیر. سطح مخازن آب در ایالت آفتابی به پایین ترین حد خود رسیده است و در ماه آوریل، میلیون ها نفر از ساکنان جنوب کالیفرنیا با کمبود شدید آب مواجه شدند.

حامیان پروژه نمک‌زدایی، از جمله فرماندار کالیفرنیا، گاوین نیوسام، با اشتیاق از ۱۹۰ میلیون لیتر آب آشامیدنی که کارخانه هر روز تولید می‌کرد، استقبال می‌کردند. اما به گفته فعالان، محیط زیست بهای گزافی را خواهد پرداخت. تام لوستر، دانشمند محیط زیست و عضو کمیسیون پیش از رای گیری گفت: «این پروژه همچنین جانداران دریایی را در حدود 275 میلیون گالن [بیش از یک میلیارد لیتر] آب دریا در روز از بین می برد.

بحث‌هایی که در بحث در کالیفرنیا مطرح می‌شود، منعکس‌کننده نگرانی‌های مشابهی درباره نمک‌زدایی در سراسر جهان است. گرم شدن کره زمین و افزایش فراوانی خشکسالی ها در مناطقی که در گذشته از آب و هوای معتدل برخوردار بودند، به پیش بینی هشدار دهنده ای از سوی کارشناسان منجر شده است: تا اوایل سال 2030، 40 درصد کسری بین تقاضا و عرضه آب آشامیدنی در سراسر جهان وجود خواهد داشت. اکثر این کارشناسان می گویند که نمک زدایی تنها فناوری موجود در حال حاضر است که قادر به مقابله با چنین بحرانی است، اما بدون شک جنبه های منفی نیز دارد. جدای از نگرانی برای محیط زیست و حیات دریایی، مسائلی در رابطه با هزینه و کارایی وجود دارد – اما کورسوی امیدی هست.

علائم به ساکنان درباره خشکسالی شدید در جنوب کالیفرنیا در سال 2016 هشدار می دهد. تصویر: جوزف سوم

بحران آب

اصطلاح «کمبود آب» توسط سازمان ملل متحد به عنوان وضعیتی تعریف شده است که در آن دسترسی کافی به آب آشامیدنی برای رفع نیازهای انسان وجود ندارد. به گفته سازمان جهانی بهداشت (WHO)، در مواقع بحران، هر فرد نیاز به دسترسی تضمینی به حداقل 15 لیتر آب در روز – ترجیحاً بصورت تمام آب آشامیدنی – دارد. حداقل آب شیرین طبق گزارش موسسه جهانی آب، تقریباً دو میلیارد نفر در 17 کشور جهان مستقیماً به سمت یک بحران حاد آب در سال های آینده می روند. سازمان ملل هشدار داده است که تا سال 2040 بین 24 تا 700 میلیون نفر آواره خواهند شد.

منظور قدیر، دانشمند محیط زیست در دانشگاه سازمان ملل در همیلتون کانادا که در حوزه بازیافت آب و بازیافت ایمن تمرکز می کند، می گوید: «بحران آب از نظر تأثیرگزاری در میان پنج خطر بزرگ جهانی قرار دارد که فراتر از چالش های اجتماعی-اقتصادی و زیست محیطی است و بر معیشت و رفاه مردم تأثیر می گذارد». قدیر و همکارانش در مطالعه‌ای تازه به این نتیجه رسیدند که «آمارها نشان می‌دهند که منابع «متعارف» آب مانند بارندگی، ذوب برف و رواناب رودخانه‌ها در دریاچه‌ها، رودخانه‌ها و سفره‌های زیرزمینی مناطق دیگر برای پاسخگویی به نیازهای انسان در شرایط کم‌آب کافی نیستند.. قدیر خواستار تاسیسات آب شیرین کن بیشتر است. او می‌گوید: «شیرین‌‌سازی می‌تواند منابع آب را فراتر از آنچه در چرخه هیدرولوژیکی در دسترس است افزایش دهد و یک منبع «نامحدود» مستقل و پایدار از آب آشامیدنی را فراهم کند.

طبق تعریف، میزان نمک آب آشامیدنی نباید بیش از 0.01 درصد باشد. اصطلاح “آب شیرین” برای محتوای نمک تا 0.05 درصد استفاده می شود، در حالی که اکثر محصولات می توانند محتوای نمک تا 0.2 درصد را تحمل کنند. اگرچه 70 درصد از سطح سیاره ما آب است، تنها 2.5 درصد از آن را می توان آب شیرین یا آشامیدنی تعریف کرد، و 70 درصد آن قابل دسترسی نیست – به عنوان مثال، در یخ های قطبی به دام افتاده است. آنچه باقی می ماند کمتر از یک درصد است. نیمی از آب های زیرزمینی جهان یا بیش از حد آلوده است.

و یا موضعی یا آنقدر شور است که برای نوشیدن بدون پردازش مناسب نیست. این آب به اصطلاح شور حاوی بین 0.05 تا سه درصد نمک است. برای همه این انواع مختلف آب، فرمول اصلی یکسانی اعمال می‌شود: هر چه درصد نمک بیشتر باشد، فرآیند نمک‌زدایی دشوارتر، آسیب‌رسان‌تر برای مصرف‌کننده‌ می‌شود – حداقل برای آن دسته از فناوری‌هایی که در حال حاضر به تعداد کافی استفاده می‌شوند.

خط افق ریاض، عربستان سعودی. این کشور برای آب آشامیدنی به نمک زدایی وابسته است. تصویر: محمد یونس / شاتر استوک

هزینه بالای انرژی

نمک زدایی می تواند هم برای تصفیه آب دریا در خطوط ساحلی و هم برای پاکسازی آب های شور در داخل کشور کارساز باشد. با این حال، موانع عملی، به ویژه در ارتباط با محصول ضایعات فرآیند، تا کنون منجر به تمایل بیشتر به نصب نیروگاه‌ در نزدیکی ساحل شده است. مؤسسه نمک‌زدایی مستقر در آلمان (DME)، یک اندیشکده جهانی پیشرو برای جمع‌آوری داده‌ و ارائه مشاوره در مورد همه مسائل نمک‌زدایی، بیش از 20000 کارخانه نمک‌زدایی را شمارش کرده است که در مجموع بیش از 100 میلیون متر مکعب آب آشامیدنی در هر روز تولید می‌کنند.

به گفته کلاوس مرتس، مدیرعامل DME، بازار نمک‌زدایی سالانه حدود 15 درصد رشد داشته است. او می گوید: «در حال حاضر بیش از نیم میلیارد نفر آب آشامیدنی روزانه خود را از طریق نمک زدایی دریافت می کنند. این یک راه حل ایده آل به نظر می رسد و برای برخی از کشورها به خوبی کارامد بوده است. اما نمک زدایی ، هم از نظر مصرف انرژی (که باعث گرانی آن می شود) و هم از نظر محیط زیست با هزینه های قابل توجهی همراه است. برای تامین بیشتر مردم ، کارشناسان موافقند که هم نگرانی‌های زیست‌محیطی و هم کارایی باید مورد توجه قرار گیرد.

تا کنون، کمبود آب بیشتر در مناطقی با دمای بالا و آفتاب زیاد رخ داده است. بزرگترین کارخانه های نمک زدایی در کشورهای غنی خاورمیانه واقع شده اند: عربستان سعودی، کویت، امارات متحده عربی و قطر در حال حاضر حدود نیمی از آب شیرین شده جهان را تولید می کنند. استفاده از این آب برای کشاورزی بسیار گران است، بنابراین این کشورها آب آشامیدنی را تامین می کنند اما مواد غذایی وارد می کنند.

عاملی که نمک زدایی را بسیار گران می کند، انرژی مورد نیاز برای تامین انرژی فناوری های مختلف است. در حال حاضر، اکثر کارخانه های آب شیرین کن دنیا از یکی از دو روش استفاده می کنند: نمک زدایی حرارتی (تقطیر) یا اسمز معکوس. اولی که برای مدت طولانی تری مورد استفاده قرار گرفته است، شامل تبخیر آب نمک و سپس متراکم شدن بخار آب است و نمک را باقی می گذارد. اکثر کارخانه های آب شیرین کن حرارتی از گرمای تلف شده نیروگاه ها برای گرم کردن آب دریا یا آب شور استفاده می کنند. سپس آب گرم شده در خلاء تبخیر می شود و بخار روی لوله هایی که حاوی مایع خنک کننده هستند متراکم می شود. این روش کمتر متداول است، اما همچنان در سراسر جهان عرب قابل توجه است.

این دسته از کارخانه ها برای خارج کردن نمک از آب دریا به انرژی زیادی نیاز دارند. سلیمان یوسه، کارشناس مهندسی واکنش شیمیایی در دانشگاه RWTH آخن آلمان می‌گوید به همین دلیل است که کشورهای غنی از انرژی این مزیت را دارند. او می افزاید که بسته به اینکه از کدام فناوری استفاده می شود و سن کارخانه، هزینه انرژی بین 40 تا 50 درصد کل هزینه تولید این نیروگاه ها را تشکیل می دهد، بنابراین، کاهش مصرف انرژی معقول‌ترین راه برای مقرون‌به‌صرفه‌تر کردن نمک‌زدایی است.»

کارشناسان و فعالان به یک چرخه معیوب اشاره می کنند: خشکسالی و کمبود آب نیاز به نمک زدایی را افزایش می دهد، اما اگر نمک زدایی از سوخت های فسیلی استفاده کند، سوزاندن این سوخت ها باعث افزایش انتشار گازهای گلخانه ای بعنوان عامل تغییرات آب و هوایی می شود. این یکی از دلایلی است که امروزه اکثر مردم دنیا برای نمک‌زدایی اسمز معکوس را ترجیح می‌دهند – یعنی حدود 80 درصد از کل کارخانجات. مرتس می‌گوید، اما هنوز کمی طول می‌کشد تا 20 درصد باقی‌مانده نیروگاه‌های حرارتی ناپدید شوند.

اسمز معکوس با فشار دادن آب نمک تحت فشار زیاد از میان یک غشای نیمه تراوا که منافذ آن برای عبور مولکول های نمک بسیار کوچک است، عمل می کند. از زمانی که مزایای آن از نظر علمی و عملی اثبات شد، باز هم حدود سه دهه طول کشید تا اسمز معکوس به عنوان فناوری پیشرو در بازار از نمک‌زدایی حرارتی پیشی بگیرد.

در آن زمان، مصرف انرژی برای اسمز معکوس 15 تا 20 کیلووات ساعت بر متر مکعب بود. مرتس می‌گوید امروز به 3.5 تا 4.5 کیلووات ساعت در مترمکعب رسیده‌ایم. این انرژی از الکتریسیته می آید، بنابراین پایداری یک نیروگاه به نحوه تولید برق بستگی دارد. به طور کلی، اسمز مصرف انرژی کمتری دارد، اما هر چه شوری آب اولیه/ورودی بیشتر باشد، هزینه آن نیز بیشتر است. شوری بیشتر باعث فشار اسمزی بالاتر در آب شور می شود، به این معنی که فشار بیشتری برای گذراندن آب از میان غشا لازم است. مهندسان موفق شده اند با توسعه غشاهای پیچیده تر، این هزینه ها را حدود دو سوم کاهش دهند.

روهیت کارنیک متخصص مهندسی مکانیک در موسسه فناوری ماساچوست است. او همراه با همکارانش با غشاهای ساخته شده با استفاده از ماده ای به نام گرافن کار می کند.

او توضیح می‌دهد: «گرافن یک ماده دو بعدی و به ضخامت یک اتم است که از اتم‌های کربن ساخته شده است. این ماده دارای استحکام مکانیکی بالا، مقاومت شیمیایی خوب و غیرقابل نفوذ در برابر یون‌ها و مولکول‌ها در حالت بکر خود است، که امکان ساخت غشاها را با ایجاد سوراخ‌های انتخابی در مواد ایجاد می‌کند که فقط به آب اجازه عبور می‌دهد.

و با این حال، علیرغم پیشرفت‌ها، اسمز معکوس دارای محدودیت فیزیکی است که این روش را در مقایسه با برخی از فناوری‌های جدیدتر که اکنون در حال توسعه هستند، در مضیقه قرار می‌دهد. به طور نظری حداقل انرژی مورد نیاز برای این روش 1.9 کیلووات ساعت بر متر مکعب است. این محدودیت فیزیکی است – هرگز بهتر از آن نخواهد شد.

کشورهای با قابلیت نمک زدایی

• خاورمیانه: عربستان سعودی پیشروترین کشور نمک زدایی از نظر حجم است و پس از آن امارات متحده عربی قرار دارد. با توجه به فهرستی که مؤسسه منابع جهانی از کشورهایی که بیشترین تنش آبی در جهان دارند (که تقاضا برای آب بیشتر از مقدار موجود است)، عربستان سعودی در جایگاه نهم و امارات در رتبه ششم قرار دارد. سایر کشورهای عربی ثروتمند، از جمله بحرین (با بیشترین تنش آبی روی زمین)، کویت (در رتبه دوم) و قطر (در رتبه سوم) نیز به شدت به این فناوری متکی هستند.

• استرالیا: هنگامی که بدترین خشکسالی هزاره جنوب شرقی استرالیا را بین اواخر دهه 1990 و 2009 فرا گرفت، سیستم های ذخیره آب در این منطقه به کسری از ظرفیت کل خود کاهش یافت. پرث، ملبورن و سایر شهرها شروع به تسهیل مقررات و قانونی کردن کارخانه های نمک زدایی کردند. کارخانه ای در ملبورن که اولین آب خود را در سال 2017 تامین کرد، اکنون یک سوم آب شهر را پوشش می دهد.

• اسرائیل: با پنج کارخانه بزرگ نمک زدایی و برنامه ریزی برای پنج کارخانه دیگر، بیش از نیمی از آب آشامیدنی کشور در اصل از آب دریای مدیترانه تامین می شود.

• ایالات متحده آمریکا: بیش از 400 کارخانه آب شیرین کن شهری در ایالات متحده آمریکا وجود دارد که بیشتر آنها در کالیفرنیا، تگزاس و فلوریدا هستند. بیشتر آنها در نزدیکی تأسیسات گاز طبیعی قرار دارند تا از گرمای باقیمانده از نیروگاه ها استفاده کنند. اگرچه نمک زدایی موضوع بحث برانگیزی است، اما شور و شوق به آن به طور کامل از بین نرفته است.

آب فاضلاب

مشکل بزرگ دیگر نمک‌زدایی از ضایعات آن نشات می گیرد. در سراسر جهان، این کارخانجات روزانه 160 میلیون متر مکعب کنسانتره هایپر نمک تولید می کنند. این آب نمک یکی از مشکلات اصلی نمک زدایی و معمایی است که دانشمندان دهه ها در تلاش برای حل آن هستند. تولید یک لیتر آب آشامیدنی 1.6 لیتر آب نمک ایجاد می کند و فعالان نگران تأثیر این محصول جانبی بر محیط زیست، به ویژه اکوسیستم های دریایی هستند – نگرانی که یکی از دلایل عدم تایید تاسیس کارخانه در هانتینگتون بیچ بود.

ضایعات نمک معمولاً با آب دریا مخلوط می شوند تا غلظت نمک کمتری داشته باشند و سپس به اقیانوس پمپاژ می شوند. این نوع مدیریت زباله مقرون به صرفه است. تنها چیزی که مورد نیاز است یک سیستم پمپاژ است که بتواند آب نمک را به اقیانوس بازگرداند. مقدار انرژی مورد نیاز برای پمپاژ آب نمک به شوری آن و فاصله کارخانه از اقیانوس بستگی دارد – به همین دلیل است که کارخانه‌های نمک‌زدایی زیادی برای پاک‌سازی آب‌های شور داخلی طراحی نشده‌اند.

اما فعالان محیط زیست نگران اثرات آن بر اکوسیستم های آسیب پذیر دریایی هستند. سطح بالای شوری به تنهایی می تواند به بسترهای علف دریایی و لارو ماهی آسیب برساند. آب نمک همچنین می تواند باعث کمبود اکسیژن در اعماق خاصی از اقیانوس شود که می تواند برای جانوران دریایی بزرگتر خطرناک باشد. علاوه بر این، پمپ ها می توانند در هنگام مکش آب به ماهی ها و پستانداران صدمه بزنند یا حتی آن ها از بین ببرند. فابین مک‌للان از گروه بین‌المللی محیط‌زیست Ocean Care می‌گوید: «این کارخانجات تغییرات آب و هوایی را تشدید می کنند، اکوسیستم‌های آسیب پذیر ساحلی را از بین می‌برند، و نمک وارد شده به محیط زیست نیز خطراتی را به همراه دارد.

به گفته اپراتورهای/گردانندگان کارخانه، اگر این فرآیند به درستی انجام شود، پس از مخلوط شدن آب نمک غلیظ، همان مقدار نمکی که از اقیانوس خارج شده است، به اقیانوس بازگردانده می شود. اما حتی طرفداران نمک‌زدایی باید بپذیرند که آلاینده‌های مشکل‌ساز تری نیز در آن آب نمک وجود دارد. مرتس می‌گوید: «برای راه‌اندازی این نیروگاه‌ها و عملکرد بخش‌های مختلف مکانیکی آن‌ها تا زمانی که ممکن است، از افزودنی‌های شیمیایی استفاده می‌شود. اینها می توانند شامل عوامل ضد رسوب، رسوب زدا یا عوامل ضد کف باشند. به منظور کاهش اثرات مختلف زیست محیطی، اپراتورها در کالیفرنیا یک روش مبادله ای ایجاد کرده اند، که از بازسازی تالاب ها حمایت و تامین مالی می کند تا آسیب های محیط زیستی کارخانجات خود را جبران کنند.

پیشرفت علمی

امروزه، این سیستم‌های انرژی بر با پسماند های نگران‌کننده ممکن است برای دولت‌های دارای تنش آبی اما ثروتمند راهگشا باشند، اما راه‌حلی برای کشورهای فقیرتری مانند یمن یا سومالی که با بحران‌های آبی مواجه هستند، ارائه نمی‌دهند. در آنجا، سازمان‌های غیردولتی و سایرین روی پروژه‌های نمک‌زدایی کوچک‌تر و کم‌هزینه‌تر کار می‌کنند که اغلب جایگزین سوخت‌های فسیلی می‌شوند.

در همین حال، دانشمندان در حال کار بر روی راه‌حل‌های فناوری محور/فناوری های کارگشا هستند که می‌تواند هم مسائل زیست‌محیطی و هم مشکلات بهره‌وری انرژی را حل کند. مرتس می‌گوید: «محققان در حال حاضر روی بیش از 50 فناوری نمک‌زدایی کار می‌کنند که در بخش‌هایی از اساس آنقدر متنوع هستند که رشته‌های مختلف علوم طبیعی را در بر می گیرند. او باور دارد که روزی برخی از این فناوری‌ها جایگزین اسمز معکوس خواهند شد، اگرچه تصدیق می کند که زمان زیادی طول می‌کشد تا کارخانجات جدید به بهره برداری برسند.

با وجود اینکه که هر ایده جدید از سایرین متمایز است، مرتس به یک فصل مشترک اشاره می کند – چیزی که او آن را به عنوان یک تغییر پارادایم توصیف می کند وقتی که به ایده اصلی نحوه عملکرد نمک زدایی می رسد. مرتس می‌گوید: «در گذشته، ما بیش از حد بر تلاش برای تولید آب شیرین از آب نمک متمرکز بودیم. اکنون، او می گوید که هدف فناوری های جدید حذف مستقیم نمک و مواد جامد است که حدود سه درصد از حجم آب دریا را تشکیل می دهند.

به نظر می رسد فناوری به نام دیونیزاسیون خازنی بسیار امیدوارکننده است. در این فرآیند یک سطح/ورقه باردار الکترواستاتیک در آب شور غوطه ور می شود. استاتیک باعث می شود یون های نمک خود را به الکترودهای متخلخل که اغلب از کربن ساخته شده اند بچسبانند. هنگامی که سطح آن از آب می شود، نمک را می توان با تغییر قطبیت الکترودها آزاد کرد. مرتس می‌گوید: «مثل این می ماند که نوعی بیل الکترواستاتیک داشته باشید».

در حال حاضر، مسئله اصلی این است که «بیل» باید یون‌های نمک را به طور مرتب تخلیه کند، بنابراین فرآیند باید مکرراً قطع شود. برای بهبود این موضوع، دانشمندان دانشگاه RWTH آخن فرآیندی به نام دیونیزاسیون خازنی الکترود جریانی را توسعه داده‌اند که از یک سوسپانسیون مایع به جای سطح جامد استفاده می‌کند، بنابراین بیل استعاری نیازی به تخلیه ندارد.

روش‌های دیگری که نوید ارائه نمک‌زدایی مستقل را در آینده می‌دهند، در حال حاضر به عنوان فرآیندهای تکمیلی در کارخانه‌های اسمز معکوس آزمایش می‌شوند. در دانشگاه کلمبیا در نیویورک، دانشمندان یک روش استخراج مبتنی بر حلال به نام TSSE را توسعه دادند. آب شور با یک حلال مایع ترکیب شده و به شدت تکان داده می شود. هنگامی که این ترکیب گرم می شود مواد حاصل بیشترشامل حلال، نمک و اب آشامیدنی است. در این روش از حلالی استفاده می‌شود که مانند یک «اسفنج» عمل می‌کند و فقط آب و نه نمک محلول را جذب می‌کند. نگای یین ییپ، استاد مهندسی زمین و محیط زیست در دانشگاه کلمبیا، توضیح می دهد که گرم کردن حلال مشابه فشردن اسفنج برای جداسازی آب است.

این روش به غشاء یا دماهای بالای لازم برای تقطیر نیاز ندارد، انرژی لازم را می توان از انرژی های تجدید پذیر تامین کرد و به طور کلی مقرون به صرفه تر است. در شیوه اسمز معکوس، زمانی که آب بیش از حد شور باشد، برای حفظ غشا به فشار بسیار زیادی لازم است و بنابراین اسمز معکوس به غلظت نمک آب دریا و کمتر از آن محدود می شود. . وی توضیح می دهد که TSSE چنین محدودیتی ندارد و می تواند آب شورتری را نمک زدایی کند. در این مرحله، TSSE می‌تواند به کاهش بار زیست‌محیطی کارخانه‌های اسمز معکوس با تمیز کردن ضایعات با نمک بالا کمک کند.

به گفته او ، TSSE در دو سال گذشته پیشرفت چشمگیری داشته است. تیم او نشان داده است که این فناوری می تواند تمام آب را از آب نمک استخراج کند و به آنچه در صنعت “تخلیه مایع صفر” (ZLD) نامیده می شود، دست یابد، جایی که تمام آب موجود در آب نمک به آب شیرین تبدیل شده و تنها مواد معدنی جامد باقی مانده نمک است.

این پیشرفت از اهمیت بسیاری برخوردار است. ییپ می‌گوید روش‌های فعلی برای به دست آوردن ZLD همگی بسیار انرژی بر و پرهزینه هستند. او مطمئن است که TSSE پاسخی به بسیاری از معضلات زیست محیطی خواهد بود که هنوز از سوی مخالفان نمک زدایی مطرح می شود.

نمک زدایی در آفریقا

بیشتر مناطق آفریقا با مشکل آب مواجه هستند. پیش بینی می شود خشکسالی در مناطق نیمه خشک مانند دماغه غربی آفریقای جنوبی و همچنین در شمال آفریقا تشدید شود. حتی در کشورهای مرطوب‌تر مانند نیجریه، بسیاری از منابع آبی آلوده هستند. دولت های شمال آفریقا به طور خاص در حال افزایش ظرفیت نمک زدایی خود هستند. دولت الجزایر در حال اجرای طرح اضطراری جدیدی است که بر نمک زدایی آب دریا برای تامین آب آشامیدنی این کشور تمرکز دارد. تونس در حال افزایش تسهیلات چند میلیون دلاری است و صندوق ثروت دولتی مصر در حال ایجاد مشارکت مالی تا 2.5 میلیارد دلار برای ساخت، مالکیت و بهره برداری از 17 نیروگاه جدید خورشیدی تا سال 2025 است که تا سال 2050 از طریق کارخانه‌های نمک‌زدایی با استفاده از آب دریا در مجموع آب مورد نیاز 6.4 میلیون تن را تامین کند. و در حالی که کارخانه‌های قبلی فقط برای تامین آب آشامیدنی استفاده می‌شدند، تعداد کارخانجاتی که با هدف آبیاری ساخته می‌شوند رو به افزایش است. کارخانه ای که اخیراً در آگادیر مراکش تکمیل شده است تا حدودی برای این منظور طراحی شده است.

مصر نیز برای ابیاری برنامه ریزی می کند. این کشور در حال حاضر در حال ساخت شهرهای جدید خارج از دره نیل است و برای انجام این کار به نمک‌زدایی متکی است. به دلیل نگرانی های به وجود آمده در باره رودخانه نیل، که بخشی از آن به دلیل ساخت سد رنسانس بزرگ در اتیوپی ایجاد شده است، این کشور مایل است وابستگی خود به رودخانه برای تامین نیازهای آبی خود را کاهش دهد.

در کشورهای فقیرتر، برخی از کارخانه‌های نمک‌زدایی کوچک‌تر به حل این مشکل کمک می‌کنند، اما به طور کلی، نیاز به هزینه و انرژی همچنان به این معنی است که پروژه‌های قابل توجهی در انحصار کشورهای ثروتمندتر باقی می مانند.

حرکت رو به جلو

و با این حال، با وجودی که که دانشمندان گام های بلندی رو به جلو برداشته اند، صرف نظر از اینکه کدام فناوری جدید نمک زدایی در حال بررسی است، همه کارشناسان تاکید می کنند که تغییر بازار یه تدریج اتفاق می افتد. یوس تاکید می کند: «این فرآیندها ده ها سال طول می کشد. اکتشافات مهم در مورد فناوری غشای اسمز معکوس در طول دهه 1960 انجام شد – با این حال تنها در طول دهه 1990 بود که تعداد نیروگاه های اسمز معکوس از نیروگاه های حرارتی پیشی گرفت.

مرتس می گوید: متقاعد کردن مشتریان – به عنوان مثال تامین کنندگان آب – به این که یک فناوری جدید کارآمد و ایمن است، زمان می برد.

جنگ در اوکراین ممکن است برخی از تحولات را سرعت بخشد. نگرانی اپراتورهای نیروگاه های نمک زدایی که از سوخت های فسیلی استفاده می کنند از قیمت انرژی رو به افزایش است. یوس حتی قبل از شروع جنگ متوجه افزایش تقاضا برای انرژی های تجدیدپذیر، به ویژه خورشیدی شد. او به ویژه به اسرائیل اشاره می کند، بازیگری پیشرو در آب شیرین کن در جهان که مدتهاست از سوخت های فسیلی برای نیروگاه های خود استفاده می کند. یوسی می‌گوید: «اسرائیل این سوخت‌ها را از بازارهایی خریداری کرده است که اکنون به دلیل جنگ در اوکراین با تقاضای بسیار بیشتری مواجه هستند». این کشور اکنون به دنبال انرژی خورشیدی بیشتر برای تامین آب خود است. سال گذشته، این کشور با اردن که با تنش آبی مواجه اما آفتابی است، وارد معامله شد که بر طبق آن اردن 600 مگاوات انرژی خورشیدی به اسرائیل صادر می کرد و در ازای آن 200 میلیون متر مکعب آب شیرین شده دریافت می کرد. به نظر می رسد کمبود آب و انرژی حتی مخالفان سیاسی را به پای میز مذاکره می کشاند. جنگ و بحران های آب و هوایی ، ممکن است حتی در بازار محافظه کار نمک زدایی منجر به تغییر رویه شود.

3-نمک زدایی – گذشته، حال و آینده

Desalination – Past, Present and Future

در پاسخ به کمبود فزاینده آب، در 30 سال گذشته نمک‌زدایی به یک منبع آب جایگزین مناسب تبدیل شده است. این به ما این امکان را می دهد که از منابع آب غیر سنتی با پتانسیل زیاد برای تامین آب پایدار که در برابر خشکسالی مقاوم هستند استفاده کنیم. نمک زدایی تنها حدود 1 درصد از آب آشامیدنی جهان را تامین می کند، اما این مقدار سال به سال در حال افزایش است. سرمایه گذاری 10 میلیارد دلاری آمریکا در پنج سال آینده 5.7 میلیون متر مکعب در روز به ظرفیت تولید جدید اضافه می کند. انتظار می رود این ظرفیت تا سال 2030 دو برابر شود.

آب شیرین شده با استفاده از آب شور (آبی با محتوای نمک کمتر از 10000 میلی گرم در لیتر) یا آب دریا با شوری 30000 تا 44000 میلی گرم در لیتر تولید می شود. در حالی که نمک زدایی آب شور فرصت هایی را برای تولید آب کم هزینه ارائه می دهد، بعید است که منبع اصلی جایگزین تامین آب در آینده باشد. حجم کل آب شور در سراسر جهان محدود است (کمتر از 1٪ آب جهان) و در اکثر مناطق خشک جهان تقریباً به طور کامل مورد استفاده قرار می گیرد.

اقیانوس های جهان بیش از 97.2 درصد از منابع آبی سیاره را در خود جای داده اند. شوری بالای آب اقیانوس ها و هزینه های بالای مربوط به نمک زدایی آب دریا به این معنی است که بیشتر منابع آب جهان به طور سنتی از منابع آب شیرین، یعنی سفره های آب زیرزمینی، رودخانه ها و دریاچه ها تامین می شود. با این حال، تغییر الگوهای آب و هوایی، همراه با فشارهای رشد جمعیت و دسترسی محدود به منابع آب شیرین جدید و ارزان، توجه صنعت آب را به سمت خود معطوف کرده است – جهان به دنبال آب شیرین از اقیانوس است.

اقیانوس به عنوان منبع آب دارای دو ویژگی منحصر به فرد است – مقاوم در برابر خشکسالی و عملا بی حد و حصر است. بیش از 50 درصد از جمعیت جهان در مراکز شهری هم مرز با اقیانوس زندگی می کنند. در بسیاری از مناطق خشک جهان مانند خاورمیانه، استرالیا، آفریقای شمالی و کالیفرنیای جنوبی، تمرکز جمعیت در امتداد ساحل بیش از 75 درصد است. نمک زدایی آب دریا راه حلی منطقی برای مدیریت پایدار و بلندمدت تقاضای رو به رشد آب ارائه می دهد.

در پایان سال 2015، تقریباً 18000 کارخانه آب شیرین کن در سراسر جهان وجود داشت که مجموع ظرفیت تولید نصب شده 86.55 میلیون متر مکعب در روز یا 22870 میلیون گالن در روز (MGD) بود. حدود 44 درصد از این ظرفیت 37.32 میلیون مترمکعب در روز یا 9860 MGD در خاورمیانه و شمال آفریقا قرار دارد. در حالی که پیش بینی می شود نمک زدایی در این منطقه به طور مداوم با نرخ 7 تا 9 درصد در سال رشد کند، انتظار می رود “نقاط داغ” برای توسعه سریع نمک زدایی در دهه آینده آسیا، ایالات متحده و آمریکای لاتین باشد.

فرآیندهای فناوری نمک زدایی

دو فناوری اساسی به طور گسترده برای جداسازی نمک ها از آب اقیانوس ها استفاده شده است: تبخیر حرارتی و جداسازی غشایی. در 10 سال گذشته، نمک زدایی با استفاده از غشاهای اسمز معکوس نیمه تراوا (SWRO) آب دریا (شکل 1) بر بازارهای نمک زدایی خارج از خاورمیانه تسلط یافته است. اگرچه فناوری غشاء در خاورمیانه طرفداران زیادی پیدا کرده است، دسترسی به سوخت کم‌هزینه و استفاده سنتی از تأسیسات تولید برق و آب، تبخیر حرارتی را به فناوری غالب در منطقه تبدیل کرده است.

شکل 1 – غشاهای RO کارخانه های آب شیرین کن امروزی

پیشرفت در فناوری نمک‌زدایی SWRO در دو دهه گذشته، همراه با انتقال به واحد های با ظرفیت بالا، هم‌مکانی با نیروگاه برق و افزایش رقابت از طریق روش ساخت – مالک – بهره‌برداری – انتقال (BOOT) برای تحویل پروژه، منجر به کاهش چشمگیر هزینه آب شیرین کن ها شده است .

یکی از عوامل کلیدی که به کاهش هزینه نمک‌زدایی آب دریا کمک می‌کند، پیشرفت فناوری غشاء SWRO است. عناصر غشایی با بهره وری بالا با ویژگی هایی برای تولید آب شیرین بیشتر در هر عنصر غشا طراحی شده اند: سطح بالاتر و بسته بندی غشایی متراکم تر. افزایش سطح غشاء فعال امکان افزایش بهره وری با استفاده از عنصر غشا با همان قطر را فراهم می کند.

کاهش هزینه ها

یکی از بزرگترین بخش های هزینه های مرتبط با نمک زدایی آب دریا را انرژی تشکیل می دهد. شکل 2 یک میانگین برآورد هزینه نمک زدایی آب دریا را نشان می دهد.

شکل 2 – برآورد هزینه نمک زدایی

پیشرفت تکنولوژی و تجهیزات منجر به کاهش 80 درصدی انرژی مورد استفاده برای تولید آب در 20 سال گذشته شده است. امروزه انرژی مورد نیاز برای تولید آب شیرین از آب دریا برای مصرف سالانه یک خانوار (2000 کیلووات در سال) کمتر از انرژی مصرفی یخچال خانگی است.

پیشرفت های آینده در فناوری

پیشرفت‌ها در فناوری نمک‌زدایی از نظر دینامیک به فناوری رایانه نزدیک‌تر است و مانند رایانه‌ها، غشاهای SWRO امروزه چندین برابر کوچک‌تر، پربازده‌تر و ارزان‌تر از اولین نمونه‌های اولیه هستند. فن‌آوری‌های مرسوم، مانند رسوب‌گیری و فیلتراسیون، از زمان استفاده اولیه برای تصفیه آب در چندین قرن پیش، پیشرفت‌های اندکی داشته‌اند. اما غشاهای نمک‌زدایی جدید و کارآمدتر، غشاهای حرارتی نوآورانه یا فناوری‌های نمک‌زدایی هیبریدی و بهبود تجهیزات، هر چند سال یک بار بهترمی‌شوند.

دور از انتظار است که در چند سال آینده پیشرفت مهمی در فناوری، هزینه نمک زدایی آب دریا را به طور چشمگیری کاهش دهد. اما انتظار می‌رود کاهش مستمر هزینه‌های تولید، همراه با افزایش هزینه‌های تصفیه آب به دلیل الزامات نظارتی سخت‌گیرانه‌تر ، روند فعلی افزایش وابستگی به اقیانوس به عنوان منبع آب را تسریع کند. این مسئله نمک‌زدایی آب اقیانوس‌ها را در جایگاه یک جایگزین قابل اعتماد و مقاوم در برابر خشکسالی برای بسیاری از جوامع ساحلی در سراسر جهان قرار می دهد.انتظار می رود پیشرفت های فناوری هزینه نمک زدایی را در پنج سال آینده تا 20 درصد و در 20 سال آینده تا 60 درصد کاهش دهد و آن را به جایگزینی مناسب و مقرون به صرفه برای تولید آب آشامیدنی تبدیل کند. .

4-فناوری غشایی سریع، کارآمد و انتخابی برای تصفیه آب شور

https://phys.org/news/2022-05-future-desalination-fast-efficient-membrane.html

12 مه 2022-توسط دانشگاه توکیو

کمبود آب یک مسئله رو به رشد در سراسر جهان است. نمک زدایی از آب دریا یک روش شناخته شده برای تولید آب آشامیدنی است اما هزینه های انرژی زیادی را به همراه دارد. برای اولین بار، محققان از نانوسازه های مبتنی بر فلوئور برای فیلتر کردن نمک از آب استفاده کردند. در مقایسه با روش‌های کنونی نمک‌زدایی، این نانوکانال‌های فلوردار سریع‌تر کار می‌کنند، به فشار کمتر و انرژی کمتری نیاز دارند و فیلتر مؤثرتری هستند.

اگر تابه‌حال با ماهیتابه‌ای با روکش تفلون نچسب آشپزی کرده‌اید، احتمالاً دیده‌اید که مواد مرطوب به راحتی دور آن می‌چرخند. دلیل این پدیده این است که جزء اصلی تفلون فلوئور است، عنصری سبک وزن که به طور طبیعی آب گریز است. همچنین می توان از تفلون برای روکش کردن لوله ها برای بهسازی جریان آب استفاده کرد. چنین رفتاری توجه استادیار یوشیمیتسو ایتوه از گروه شیمی و بیوتکنولوژی دانشگاه توکیو و تیمش را به خود جلب کرد. این موضوع آن ها را ترغیب کرد تا بررسی کنند که لوله ها یا کانال های ساخته شده از فلوئور در مقیاس بسیار متفاوت، یعنی در مقیاس نانو، چه واکنشی ممکن است از خود نشان دهند.

به گفته ایتو:”ما کنجکاو بودیم که ببینیم یک نانوکانال فلوئورو چقدر ممکن است در فیلتر کردن ترکیبات مختلف، به ویژه آب و نمک موثر باشد. و پس از برخی شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیچیده، به این نتیجه رسیدیم که ارزش زمان و تلاش برای ایجاد یک نمونه کار را دارد.” در حال حاضر دو روش اصلی برای نمک زدایی آب وجود دارد: حرارتی، استفاده از گرما برای تبخیر آب دریا به طوری که به صورت آب خالص متراکم شود، یا اسمز معکوس، که از فشار برای عبور دادن آب از غشایی که نمک را مسدود می کند استفاده می کند. هر دو روش به انرژی زیادی نیاز دارند. اما آزمایش‌های ما نشان می‌دهد که نانوکانال‌های فلوردار به انرژی کمی نیاز و فواید دیگری نیز دارند.”

این تیم با سنتز شیمیایی حلقه‌های فلوئور نانوسکوپی غشاهای فیلتراسیون آزمایشی تولید کردند که در یک لایه لیپیدی غیرقابل نفوذ، شبیه به مولکول‌های آلی که دیواره‌های سلولی را می‌سازند، روی هم چیده شده و جاسازی شدند. آنها چندین نمونه آزمایشی با نانورینگ بین حدود 1 تا 2 نانومتر ایجاد کردند. برای مقایسه، یک موی انسان تقریباً 100000 نانومتر عرض دارد. سپس تیم برای آزمایش اثربخشی غشاهای خود، میزان یون‌های کلر، یکی از اجزای اصلی نمک – دیگری سدیم است – را در دو طرف غشای آزمایش اندازه‌گیری کردند.

ایتو می‌گوید: «دیدن نتایج از نزدیک بسیار هیجان‌انگیز بود. کانال‌های کوچک‌تر آزمایش ما کاملاً مولکول‌های نمک ورودی را رد می‌کردند و کانال‌های بزرگ‌تر نیز همچنان نسبت به سایر تکنیک‌های نمک‌زدایی و حتی فیلترهای نانولوله‌های کربنی پیشرفته برتری داشتند.» “بیشتر از همه سرعت واکنش مایه تعجب من شد. نمونه ما چندین هزار بار سریعتر از دستگاه های معمولی صنعتی و حدود 2400 برابر سریعتر از دستگاه های آزمایشی نمک زدایی مبتنی بر نانولوله کربنی کار کرد.”

از آنجایی که فلوئور دارای بار الکتریکی منفی است، یون های منفی مانند کلر موجود در نمک را دفع می کند. اما یک مزیت اضافی این منفی بودن این است که آن دسته از مولکول‌های آب ،که اساساً گروه‌های مولکول‌های آب اتصال ضعیفی به یکدیگر دارند را نیز تجزیه می‌کند ، به طوری که سریع‌تر از کانال‌ها عبور می‌کنند . غشاهای بر پایه فلوئور نمک زدایی آب این تیم موثرتر و سریعتر هستند، برای کارکردن به انرژی کمتری نیاز دارند و به گونه ای ساخته شده اند که استفاده از آنها نیز بسیار ساده است، پس مشکل چیست؟

ایتو گفت:. “در حال حاضر، روش سنتز مواد خود نسبتاً انرژی بر است؛ با این حال،ما امیدواریم در تحقیقات آتی این مسئله را بهبود بخشیم. و با توجه به طول عمر غشاها و هزینه های عملیاتی پایین آنها، هزینه کلی انرژی بسیار پایین تر از روش های فعلی خواهد بود . “گام‌های دیگری که ما می‌خواهیم انجام دهیم،که البته یه این مسئله محدود نمی شود، نمونه‌های آزمایشی ما تک کاناله‌ای بودند، اما تا چند سال آینده امیدواریم با کمک سایر متخصصان، بتوانیم غشایی به طول حدود 1 متر ایجاد کنیم. به موازات این نگرانی‌های تولید، ما همچنین در حال بررسی این موضوع هستیم که آیا غشاهای مشابه می توانند برای کاهش دی اکسید کربن یا سایر مواد زائد نامطلوب تولید شده توسط صنایع استفاده شوند یا خیر.

5-نتیحه گیری و پیشنهاد

همانگونه که در مقدمه اشاره شد رویکرد سیستمی به این موضوع با در نظرگرفتن مدیریت فناوری ها و جنبه های زیست محیطی و نیاز بسیار حیاتی که برای تامین آب وجود دارد نیازمند یک استراتژی کلان و نقشه راه جامع است

هدف اصلي از این رویکرد سیستمی تعیین رویکردهایی است بتوان بوسيله آنها چالش‌هاي اصلي اجتماعي، اقتصادي و تكنولوژيكي براي توسعه مدیریت تکنولوژی و ساخت آب شیرین کن را تدوين نمود و همانگونه كه ذكر شده تعیين حوزه‌هاي تحقيق و توسعه تكنولوژي در اين فرايند نقش اصلي را اجرا مي‌نمايد. در اين راستا بايستي به موضوعات برشمرده ذيل توجه ويژه داشت:

به منظور دستيابي به موفقيت در طراحي و اجرا و مدیریت تكنولوژي، شفافيت برنامه‌ها و نيز نحوه‌ي پيشرفت آنها از طريق ايجاد يك سا ختار مناسب كه بتواند حمايت ذينفعان را بطور مؤثر ايجاد نمايد از اهميت ويژه ای برخوردار است. اين ذينفعان مي‌توانند بصورت زير دسته‌بندي شوند:

الف) صنعت؛ صنايع بزرگ، متوسط و كوچك كه مشتمل بر كليه‌ اعضاي يك زنجيره توليد و تأمين مؤلفه‌ها، قطعات ، تجهيزات ، مواد و زير سيستم‌ها هستند.

ب) نهادهاي عمومي؛ استفاده‌كنندگان، خريداران، سازمانها و نهادهايي كه در تهيه خط‌مشي‌هاي مالي و سياست‌گذاري‌ها دخيل هستند.

ج) دانشگاه‌ها و مراكز تحقيقاتي

د) تأمين‌كنندگان منابع مالي؛ از قبيل بانك‌ها، صندوق‌هاي توسعه‌اي و بودجه‌گذاران

در این راستا موارد زیر بعنوان راهبرد های اصلی باید مورد توجه باشند:

• بهره گیری از شرکتهای علاقه مند و با قابلیت برنامه ریزی کار برای خود در چهارچوب اهداف

• بهره گیری از انجمن های علمی و صنعتی با انگیزه و رسالت های اجتماعی و با قابلیت برنامه ریزی کار برای خود در چهارچوب اهداف

• اعمال مدیریت داهیانه و آگاهانه برفرآیندهاي دانش برای خلق ارزش افزوده کل

• تکیه بر راهبرد ایجاد منافع BENEFITS مقدم بر ایجاد سود PROFITS

سازو کار های متفاوتی از نظر حقوقی و ارتباطی میتوانند مورد بررسی قرار گرفته و با تطبیق شرایط موجود و تعریف راهکار های قابل اجرا به این موضوع شکل داده شود .