آب شیرین کن دریایی؛ مبارزه با کمبود آب ؟

آب شیرین کن صنعتی یکی از مهمترین تجهیزاتیست که امروزه برای شیرین سازی آبهای شور دریا، راه‌اندازی میشود. درحقیقت گونه‌هایی از این دستگاه ها با فیلتر مخصوص به خود وجود دارند که با نام تخصصی «آب شیرین کن دریایی» شناخته شده و با استفاده از شیوه اسمز وارونه «RO»، به از بین بردن املاح و شوری آب می‌پردازند. اما آیا استفاده از این تجهیزات و بطور کلی نمک زدایی آب دریا، روشی موثر برای مبارزه با کمبودهای منابع آب شرب است؟!.اقثب

آب یکی از با ارزش ترین منابع روی کره زمین است. طبق گزارش سازمان ملل، کمبود آن در حال حاضر بیش از 40 درصد از جمعیت جهان را تحت تأثیر قرار داده است. آماری که مدتهاست زنگ خطر را به صدا در آورده و فرآیند جستجوی راه حل را با حساسیت بیشتری به پیش می برد. یکی از این راه‌ حل‌ها (که کاملاً هم جدید نیست)، نمک زدایی آبهای شور است. بنابراین طی یکسری فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی، حذف مواد معدنی (عمدتاً نمک) از آب دریا صورت می‌پذیرد.

وضعیت آب شیرین در جهان

محققان بطورکلی چندین راه حل کلیدی را برای حل مشکلات منابع آبی در سرتاسر جهان معرفی نموده‌اند:

1. افزایش ظرفیت کارخانه ‌های آب شیرین کن در کلانشهرها و نواحی پرجمعیت
2. استفاده از دستگاه آب شیرین کن صنعتی در مناطق کم برخوردار
3. کاهش اثرات زیست محیطی با جمع آوری، دفع و تصفیه فاضلاب های انسانی، بهداشتی و صنعتی
4. نصب و راه اندازی تجهیزات بازیافت آبهای داغ صنعتی و بازگرداندن آب خنک به چرخه‌های تولید؛ در راستای کم‌شدن فشارها به منابع آبی زیرزمینی. (تجهیزاتی نظیر کولینگ تاور)
5. شناسایی رودخانه های با چرخه آب حیاتی برای ساکنان پیرامونی و حفاظت موثر از آنها.

آب 70 درصد از سیاره ما را پوشانده است و به راحتی می توان فکر کرد که بیش از اندازه کافی وجود دارد. این درحالیست که آب شیرین در سراسر جهان کمیاب است. بطوریکه فقط 3٪ از آبهای جهان، بصورت شیرین می باشند. دو سوم آبها نیز در دسترس نیستند. زیرا به شکل یخ هستند و یا به طرق دیگری، امکان دستیابی به آنها وجود ندارد. جالب است بدانید که:

حدود 1.1 میلیارد نفر در سراسر جهان به آب شیرین دسترسی ندارند. همچنین حدود 2.7 میلیارد نفر حداقل یک ماه در سال، از کمبودهای مربوط به آبهای شرب رنج می برند. فلذا اهمیت بکارگیری دستگاه آب شیرین کن صنعتی، بیش از پیش عیان میشود.

البته همواره یک تناقض یا پارادوکس اساسی وجود دارد. چنانکه بسیاری از مناطقی که تحت تاثیر کمبود آب شیرین هستند، بسیار به دریا نزدیک می‌باشند. دقیقاَ اینجاست که نمک زدایی می تواند نقشی بسیار موثر را ایفا نماید.

نمک زدایی آب دریا چگونه است؟

نمک زدایی فرآیندی است که طی آن نمک های معدنی محلول در آب حذف می شوند. درحال حاضر، این فرآیند که برای آب دریا اعمال می شود، یکی از پرکاربردترین ها بمنظور به دست آوردن آب شیرین (برای مصارف انسانی یا کشاورزی) است. در طول چرخه آب، نمک زدایی به طور طبیعی اتفاق می افتد. تبخیر آب دریا نمک را پشت سر می گذارد و ابرهایی را تشکیل می دهد که باعث ایجاد باران می شوند. ارسطو مشاهده کرد که آب دریا تبخیر و سپس تغلیظ شده و به آب شیرین تبدیل می شود. بعدها داوینچی نیز متوجه شد که بدست آوردن آن با استفاده از یک دستگاه ثابت آسان است. (شاید شبیه به سیستم های آب شیرین کن دریایی صنعتی)

طی قرن‌های بعدی و تا سالهای متمادی، از نمک‌زدایی آب دریا به‌ویژه در قایق‌ها و زیردریایی‌ها استفاده میشد. درحقیقت از این کار در راستای تأمین آب شیرین خدمه در طول سفرهای طولانی، بهره گرفته می‌شد. با این حال، این فرآیند تا قبل از انقلاب صنعتی و به‌ویژه تا زمان توسعه کارخانه‌های نمک ‌زدایی در مقیاس وسیع، در دسترس نبود.

محصول پیشنهادی: پکیج تزریق مواد شیمیایی

کشورهای پیشرو در راه اندازی آب شیرین کن صنعتی

براساس مطالعه‌ای که توسط محققان موسسه آب، محیط‌زیست و سلامت در دانشگاه سازمان ملل (UNU-INWE) در سال 2019 در سطح جهانی انجام شد، تقریباً 16000 کارخانه نمک‌زدایی در حال کار هستند. کارخانه های آب شیرین کن صنعتی که در 177 کشور پراکنده شده‌اند و عمده‌ی آب شیرین در آنها تولید می‌گردد. این کارخانجات چیزی در حدود 95 میلیون متر مکعب در روز آب شیرین تولید می‌نمایند. اولین کشوری که تصمیمات لازم برای این روند را به طور انبوه اتخاذ کرد، استرالیا بود. کشوری بسیار خشک که در آن خشکسالی به اصطلاح هزاره، بین سال‌های 1997-2009، ویرانی عظیمی به بار آورد. در شهرهای اصلی استرالیا، عمده‌ی کارخانه‌ها با استفاده از دستگاه آب شیرین کن صنعتی اسمز معکوس کار می‌کنند.

عربستان سعودی نیز از نظر حجمی، پیشروترین کشور در نمک‌زدایی (در سطح جهان) است. پس از آن امارات متحده عربی در جایگاه دوم شیرین سازی آب بلحاظ حجمی قرار دارد. هر دو کشور بیابانی هستند و به شدت به این فرآیند وابسته می باشند. سایر کشورهای خاورمیانه مانند کویت و قطر نیز این تکنیک را انتخاب کرده اند. ایالات متحده آمریکا، سومین کشور در این رتبه بندی خاص است که تقریباً بخش عمده‌ای از تأسیسات گاز طبیعی آن برای بهره برداری از گرمای باقیمانده، در خدمت کارخانه های میکرو نمک زدایی هستند. اسپانیا به لطف مشارکت:

• جزایر قناری،
• سواحل آلیکانته و
• مجموعه سواحل مورسیا،

در جایگاه چهارم قرار دارد. جایی که بدلیل اهمیت شیرین سازی آب، نیروگاه های حرارتی قدیمی با نیروگاه های نمک زدایی جایگزین شده‌اند.

کشور های دارای بیشترین کمبود و تنش آب در آینده

امروزه استفاده از انواع دستگاه آب شیرین کن دریایی و بکارگیری کارخانجات شیرین سازی آب، بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. موسسه منابع جهانی (WRI)، یک سازمان جهانیست که به دنبال ایجاد شرایط برابر و رفاه از طریق مدیریت پایدار منابع طبیعی می‌باشد. مدولهای ارائه‌شده‌ی این سازمان، با استفاده از مجموعه ای از:

• مدل های اقلیمی؛
• و سناریوهای اجتماعی – اقتصادی،

برای رتبه بندی آب شکل گرفته است. بدین منظور استرس ها (یعنی زمانی که تقاضا برای آب بیشتر از مقدار موجود باشد)، در 167 کشور تا سال 2040 بررسی شده است. یافته ها نشان میدهد که 33 کشور با بحران فوق العاده ای تا سال 2040 روبرو خواهند بود. سرزمین هایی که در محدوده‌ی تنش بین 4.00 تا 5.00 قرار دارند. و نیاز فوق العاده به استفاده از انواع دستگاه آب شیرین کن صنعتی خواهند داشت. نکته‌ی عجیبتر آنکه 14 کشور از 33 سرزمین عنوان‌شده، در منطقه خاور میانه قرار گرفته‌اند. لیست کشورهای با بیشترین تهدید تنش آبی و نیازمند به انواع سیستم های تصفیه آب صنعتی، به شرح ذیل می‌باشد:

انواع فرآیندهای نمک زدایی

در زیر خلاصه ای از فرآیندهای اصلی نمک زدایی مورد استفاده در حال حاضر آورده شده است:

شیرین سازی آب دریا به روش اسمز معکوس؛ بخش اول

مجموعاَ این فرآیند بیشترین استفاده را داشته و انرژی کمتری نسبت به باقی شیوه ها مصرف میکند. زیرا بر اساس استفاده از غشاهای نیمه تراوا، به آب اجازه عبور می دهد. اما نمک ها اجازه‌ی گذر از فیلتر اسمز معکوس (RO) را نخواهند داشت. این غشاها از پلی آمید بسیار نازک ساخته شده‌اند که می‌توانند با باکتری ها آلوده شوند. بنابراین آب باید تصفیه شود و فیلترها نیز تاحدودی قابلیت احیا دارند. دستگاه آب شیرین کن دریایی همانگونه که از نامش مشخص است، به‌جهت از بین بردن:

• شوری آب
• و عناصر زاید آب دریاها،

بکار گرفته میشود. البته بیاد داشته باشید که همانند تصفیه فاضلابها، پالایش آب نیز دارای مراحل پیش تصفیه می‌باشد. بدین منظور، بایستی گام‌های زیر را برای پیش تصفیه آبهای دریایی طی نمود:

• ایجاد حوضچه‌های سکون برای از بین رفتن تلاطم آب دریا. (مجموعه مراحل پیش از بکارگیری دستگاه آب شیرین کن صنعتی دریایی)
• بخشهایی که به ته‌نشین شدن ابتدایی عناصر و ذرات معلق آبهای دریایی کمک میکنند. بدین ترتیب جمع نمودن ذرات ته نشین شده از آب راحت‌تر خواهد شد.
• نصب توری های آشغال‌گیری در مراحل پیش تصفیه، به جهت ممانعت از ورود آبزیان دریایی به حوضچه‌ها و سیستم آب شیرین کن دریایی صورت می‌پذیرد. همچنین با نصب این فیلترهای آشغال‌گیر، جامدات و معلقات با حجم بزرگ نیز به سیستم راه نمی‌یابند.
• از فیلتر شنی در راستای گیرکردن و حذف عناصر معلق و جامدات محلول در لای بسترهای شنی و سیلیسی آن استفاده میشود.
• بهره‌گیری از پکیجهای تزریق مواد انعقادی یا دیگر عناصر شیمیایی تصفیه‌کننده به آب. (اینگونه مواد قادرند تا با حذف عناصر مضر و طعم و رنگ، به شیرین سازی آب دریا کمک کنند)
• فیلتر کربن اکتیو نیز در جهت از بین بردن کدورت آب بکار گرفته می‌شود.
• سطح لجن‌ها را نیز میتوان با استفاده از واحدهای micro filterasion پایین آورد.

بخش دوم آب شیرین کن دریایی اسمز معکوس

مرحله‌ دوم و پایانی شیرین‌سازی آب دریا، با استفاده تخصصی از آب شیرین کن دریایی RO انجام میگیرد. برای فهم بهتر ایت موضوع، بایستی گفت:

سیستم‌های اسمز معکوس معمولی (موجود در خانه‌ها و یا واحدهای پالایش آب)، دارای تفاوتهایی با آب شیرین کن دریایی  اسمز معکوس هستند. درحقیقت ROهای مربوط به شیرین سازی آب دریا، دارای حساسیت فیلترینگی بیشتری نسبت به شوری و تیرگی آبها هستند.

نکته‌ی حائز اهمیت اینجاست که میزان نمک در دریاهای مختلف، میتواند بسیار متفاوت باشد. فلذا بسته به میزان شوری آب دریاها، بایستی به خرید آب شیرین کن صنعتی (دریایی) مناسب اقدام نمود. (فیلتر با میزان نفوذ مناسبتری را انتخاب نمود)

جهت پالایش آبهای شور توسط دستگاه تصفیه آب دریایی، بایستی تی دی اس را در حدود 40 هزار P.P.M در نظر گرفت. فشار سیستم اسمز وارونه در چنین شرایطی، بایستی برای رفع تی‎دی‌اس و تصفیه صحیح آب دریا، جوابگو باشد. فلذا نصب پمپ‌های فشار قوی برای دستگاه های تصفیه صنعتی آب دریا، انتخاب مناسبی خواهد بود. باتوجه به اینکه عمدتاَ دریاها و اقیانوس ها در نقاط پرتابش واقع شده اند، بهره گیری از سیستم های خورشیدی میتواند یک اقدام پایدار و سازگار با محیط زیست باشد. بخصوص اینکه در بحث مصرف انرژی نیز صرفه جویی ویژه ای خواهد شد.

تفاوت شیوه تقطیر با آب شیرین کن دریایی

تقطیر متشکل از جوشاندن آب دریا در یک دستگاه ثابت، جمع آوری بخار و تغلیظ آن برای به دست آوردن آب شیرین است. درواقع تقطیر واضح ترین روش برای حذف نمک است. اما موثرترین شیوه نیست؛ زیرا مقادیر زیادی انرژی در طی آن مصرف می شود. این درحالیست که عمده‌ی فعالیت دستگاه آب شیرین کن دریایی اسمز معکوس بر مبنای:

• وارد آوردن فشار اسمزی،
• نقش موثر فیلترها
• و مصرف انرژی پایین،

شکل گرفته است. در بحث چگونگی انجام تقطیر خورشیدی، تفاوت هایی مشاهده می شود. بطورکلی با تقلید از چرخه آب، تقطیر خورشیدی نیز با تبخیر SEA WATER در تأسیسات بزرگ مسقف صورت می‌پذیرد. بطوریکه بخارها در آنجا متراکم شده و به عنوان آب شیرین جمع آوری می شود. اگرچه انرژی مورد استفاده گرمای خورشید است؛ اما به مناطق وسیعی از زمین نیاز است.

نکته: به مساحت زیادی از زمین ها، بدلیل نصب و قراردهی پنلهای توربوشارژ نیاز می‌باشد. همچنین برای خوابانیدن پنل های فتوولتائیک نیز به سطح کف زیادی نیاز خواهد بود.

شیوه الکترودیالیز در شیرین کردن آب دریا

پروسه‌ی الکترودیالیز شامل حرکت آب نمک از طریق غشاهای دارای بار الکتریکی است. بنابراین با استفاده از غشاهای دارای بار الکتریکی، یون های نمک محلول در آب به دام می افتند و امکان استخراج آب شیرین فراهم میگردد. انواع مختلفی از اجرای شیوه الکترودیالیز، نظیر حالات:

• معمولی
• و معکوس

وجود دارد.

نانو فیلتراسیون

ذکر این نکته جالب توجهست که فرآیند نانو فیلتراسیون است، از غشاهای نانولوله ای با نفوذپذیری بالاتر نسبت به غشاهای اسمز معکوس استفاده می کند. همین مسئله باعث می شود که آب بیشتری در فضای کمتر و با انرژی کمتر پردازش شود. این غشاها با ترکیبات سولفونه تولید میشوند که علاوه بر نمک، آثار آلاینده را نیز از بین می‌برند.

باتوجه به حساسیت بالای شیوه های نانوفیلتراسیون و آب شیرین کن دریایی اسمز معکوس (RO)، پرواضح است که استفاده از تجهیزاتی مانند « دستگاه کلرزن » نمیتواند برای شیرین سازی آب دریاها کارآمد باشد.

آب شیرین با تشکیل هیدرات گاز

هیدرات های گاز، بلورهای جامدی هستند که از ترکیب آب با گازی مانند پروپان در شرایط عملیاتی:

• فشار بالا و
• دمای پایین،

تشکیل می شوند. تمام نمک ها و ناخالصی های موجود در آب در طول این فرآیند، ناپدید می شوند. ضمن اینکه با افزایش دما، گاز را می توان بازیابی کرد و آب شیرین را تهیه نمود.

معایب نمک زدایی آب دریا

کاهش ذخایر آب شیرین در جهان، نمک زدایی را به یک نیاز رو به رشد تبدیل نموده است. طبق یافته‌های محققان سازمان ملل (در همین زمینه) که توسط مجله Science of the Total Environment منتشر شده است، نمک زدایی آب دریا بوسیله دستگاه های آب شیرین کن دریایی یا هر روش دیگری، بایستی کاملاَ مسئولانه و متعهدانه باشد. زیرا علیرغم حل مشکل کمبود آب، این شیوه میتواند معایب خاصی را نیز به همراه داشته باشد.

همانگونه که گفته شد، فرآیند نمک زدایی آب بدون ضربه نیست. زیرا بقایای حاصل از این فرآیند یعنی آب نمک، فاضلابهای با غلظت بالایی از نمک و آلاینده‌ها را بر جای میگذارد. این پسماندهای پرنمک ایجادشده، در بسیاری از موارد به دریا ریخته شده و اکوسیستم ها را تحت تاثیر قرار می دهند. بطور خاص در این مطالعه میزان تخلیه آب نمک در طول روز، 142 متر مکعب تعیین شده است. همچنین خطر نشت آب وجود دارد که می تواند سفره های آب ساحلی را آلوده کند. ولادیمیر اسماختین، مدیر UNU-INWEH نیز عنوان میدارد:

انواع فن‌آوری‌های نمک ‌زدایی، باید مقرون‌ به‌صرفه باشند. چنانکه کشورهای متوسط و کم درآمد نیز بتوانند از آن‌ها بهره ببرند. دستگاه آب شیرین کن دریایی RO، یکی از سیستم های نسبتاَ ارزانیست که میتواند در مقیاسهای وسیعی، قابل راه اندازی و نصب باشد. البته که هر یک از سیستمها، باید در عین حال اثرات نامطلوب نمکهای تجمیع یافته بر محیط‌ زیست و سلامت انسان را برطرف کنند.

بخاطر داشته باشید که بسیاری از فرآیندهای نمک‌زدایی، نیاز به:

• گرم کردن آب،
• تحت فشار قرار دادن آن
• و ترکیبی از هر دو روش فوق،

دارند؛ که مستلزم هزینه انرژی بالایی است. اگرچه استفاده از انرژی های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، برای کاهش مصرف نیروگاه های نمک زدایی انتخابی عالیست.

شیرین سازی آب دریا؛ تبدیل مشکل به فرصت

بسیاری از پژوهشگران معتقدند که با استفاده از دستگاه آب شیرین کن دریایی و سایر شیوه های موثر نمک زدایی، میتوان به «تبدیل یک مشکل زیست محیطی به یک فرصت اقتصادی» دست زد. مثلاَ همواره برجای ماندن حجم زیادی از نمکها در فرآیندهای نمک زدایی، بعنوان یک معضل اساسی معرفی میشود. این درحالیست که با ساماندهی مناسب، میتوان از این نمک های استخراج شده برای:

• رشد گونه های خاصی از آبزیان و بسترسازی استخرهای آبزی پروری،
• تولید برق؛ و
• همچنین بازیابی فلزات موجود در آن (مانند منیزیم، گچ، کلسیم، پتاسیم، کلر یا لیتیوم)،

استفاده نمود. یکی دیگر از گزینه های ممکن برای نمک زدایی پایدار، استفاده از بیوتکنولوژی است. کشت سیانوباکتری هایی که قادر به پردازش آب دریا هستند و یک رسوب با شوری کم در اطراف آن تشکیل می دهند، از همین دست اقدامان هوشمند می‌باشد.