اولین سیستم نمکزدایی با نیروی موج در جهان آماده راهاندازی است
کمبود آب یک بحران بزرگ جهانی است که دو سوم جمعیت جهان را تحت تاثیر قرار میدهد که حداقل برای یک ماه در سال به آب سالم دسترسی ندارند. دانشمندان تخمین می زنند که تا سال 2025، نیمی از جمعیت جهان ممکن است با مشکل کمبود آب مواجه باشند.
ایده نمکزدایی آب دریا نزدیک به 50 سال است که وجود دارد و در دراز مدت راه حلی امیدوارکننده به نظر میرسد. با این حال، روش معمول نمکزدایی اسمز معکوس (RO) گران و از نظر مصرف انرژی بسیار پرهزینه است. به همین دلیل است که محققان پروژه H2020 W2O با بودجه اتحادیه اروپا به راه حلی عملی دست یافته اند: سیستم های خارج از شبکه با انرژی تجدیدپذیر.
نمک زدایی با استفاده از فناوری انرژی امواج امکان پذیر است
در حالی که فناوری نوآورانه MDC که از یک فرآیند سبز و کم انرژی همراه با باکتریهای الکتروفعال برای نمکزدایی و استریل کردن آب دریا پیروی میکند، از مدتها قبل وجود داشته است، تیم تحقیقاتی شروع به جستجوی راههای ساده دیگری برای کمک به کشورهای در حال توسعه، جزایر منزوی و مناطق ساحلی کردند. آن زمان بود که تصمیم گرفتند از نیروی امواج اقیانوس، یک منبع انرژی تجدیدپذیر بیپایان و قدرتمند استفاده کنند.
اولیویه سبریو، یکی از اعضای تیم پروژه، در بیانیه مطبوعاتی گفت: «بهرهگیری از قدرت امواج اقیانوس با فناوریای که میتواند یک راهحل برای بسیاری از 2.1 میلیارد نفری که در سراسر جهان برای دسترسی به آب آشامیدنی سالم تلاش میکنند، آب شیرین تولید کند، باشد».
این فناوری انقلابی و خارج از شبکه با عنوان Wave20 در زمان کوتاهی نصب میشود، کاملاً خارج از شبکه کار میکند و مقادیر زیادی آب شیرین را با هزینه کم تولید میکند. این اولین سیستم نمکزدایی با انرژی امواج در جهان است که به برق نیاز ندارد. Wave20 انرژی رایگان را از یک منبع انرژی نامحدود با کمک یک مبدل انرژی موج (WEC) قرار داده شده در بستر دریا که همراه با امواج به جلو و عقب حرکت میکند، استحصال مینماید.
بر اساس بیانیه مطبوعاتی اتحادیه اروپا، تولید روزانه آب توسط این سیستم جدید میتواند نیاز آبی حدود 40000 نفر را پوشش دهد، که این خبر خوبی برای افرادی است که با کمبود آب در مناطق دورافتاده جهان دست و پنجه نرم می کنند.
این تیم هماکنون در حال انجام یک آزمایش با مدل مقیاس کوچک Wave2O در تأسیسات آزمایشی خود در ایالات متحده است و در ادامه، دو اجرای آزمایشی در اقیانوس آرام، به ترتیب در جزایر قناری و متعاقب آن در کیپ ورده (Cape Verde) انجام خواهد داد که هر دو منطقه دور افتاده بوده و با کمبود آب مواجه هستند.
زمین به دلیل نسبت آب 70 درصدی به سیاره آبی معروف است. با این حال، آب شیرین، که برای انسان حیاتی است، به طور باورنکردنی کمیاب است و تنها 3 درصد آن در یخچالهای یخزده ذخیره میشود یا در حال حاضر برای استفاده در دسترس نیست. علاوه بر این، بسیاری از سیستمهای آبی که اکوسیستمها را زنده نگه میدارند، از جمله رودخانهها، دریاچهها و سفرههای زیرزمینی یا آلوده هستند یا در حال خشک شدن هستند. با گرم شدن کره زمین که باعث خشکسالیهای شدید شده است، بسیاری از کشورهای جهان چارهای جز رجوع به دریا برای تامین آب مورد نیاز خود ندارند و هزینه آن بیش از توان مردم است. آیا این تکنیک جدید موجب تغییر رویکرد تکنولوژی شده و پرتو امیدی برای آینده ایجاد خواهد کرد؟
استخراج مواد معدنی از شورابه آب شیرین کن های آب دریا
با توجه به اینکه احداث معادن برای استخراج کانیهای معدنی با خلوص بالا به شدت انرژیبر، تمام شدنی و برای محیط زیست مضر است، دانشمندان به دنبال جایگزینهایی هستند. گروهی از محققان کرهای به رهبری پروفسور میونگ جین کیم از دانشگاه دریایی و اقیانوسشناسی کره، اکنون موفق به استخراج مواد معدنی با کیفیت بالا فقط از آب دریا شده اند. به طور خاص، آنها به استخراج 99.8٪ سولفات منیزیم خالص (MgSO4)، از شورابه حاصل از نمکزدایی آب دریا (SDB) دست یافتهاند.
پروفسور کیم در مورد اهداف این پژوهش میگوید: «از آنجایی که ما قبلاً یک فرآیند پیچیده شیرین سازی آب دریا را برای رفع نیازهای آب در جهان توسعه دادهایم، چرا آن را با فرآیند سودمند استخراج مواد معدنی همراه نکنیم؟! به این ترتیب، ما معتقدیم که چنین استخراجی را میتوان به روشی با انرژی کارآمد، پایدار و دوستدار محیط زیست انجام داد.» یافتههای این تیم به صورت آنلاین، به عنوان یک مقاله تحقیقاتی، در 15 دسامبر 2021، در مجله Desalination منتشر شده است.
علاوه بر این، تیم نه تنها این دو فرآیند را با هم ترکیب کرده است، بلکه یک فرآیند جدید و ظریف مبتنی بر اتانول را برای استخراج MgSO4 ایجاد کرده است. در ابتدا، محققان مراحلی مانند پیشرسوب قلیائی هیدروکسید منیزیم از شورابه و تغلیظ منیزیم با استفاده از اسید سولفوریک را دنبال کردند. در نهایت، آنها محلول منیزیم را دو بار با اتانول فراوری کردند. بار اول برای حذف ناخالصیهای کلسیم و بار دوم برای رسوب دادن MgSO4 با خلوص بالا. جالب اینکه این فرآیند دو مرحلهای نهایی از تفاوت در حلالیت بین سولفاتهای منیزیم و کلسیم در اتانول استفاده کرد تا بازده بازیابی منیزیم تا 67 درصد را به دست آورد.
با توجه به مقرون به صرفه بودن استخراج مواد معدنی از شورابه فرایندهای نمکزدایی آب دریا (SDB)، محققان بر این باورند که MgSO4 بهدستآمده نه تنها ممکن است برای معدنیسازی مجدد آب شیرین حاصل از نمکزدایی استفاده شود، بلکه کاربردهای بالقوهای در صنایع دارویی و غذایی پیدا میکند. پروفسور کیم اضافه میکند که آنها امیدوارند که مطالعه آنها تحقیقات بیشتر در مورد فرآیندهای استخراج مواد معدنی جایگزین را تشویق کند.
در واقع، بشریت با کمک این دستاوردهای علمی، میتواند امیدوار باشد در حالی که به طور پایدار نیازهای خود را برای پیشرفتهای تکنولوژیکی ادامه میدهد، آسیبهای زیست محیطی را معکوس کند.
جلوگیری از گرفتگی در فرایندهای تقطیر غشایی آب دریا با کمک منیزیم
یک تیم پژوهشی کرهای به روشی برای جلوگیری از گرفتگی غشاها در فرایندهای نمکزدایی آب دریا دست پیدا کردهاند. مؤسسه علم و فناوری کره (KIST) اعلام کرد که یک تیم تحقیقاتی به رهبری دکتر سئونگ پیل جئونگ و دکتر سئوکهئون لی در مرکز تحقیقات چرخه آب KIST یک فرآیند پیشتصفیه تقطیر غشایی را توسعه دادند که با اضافه کردن منیزیم از گرفتگی و خیس شدن غشاها در طول نمکزدایی جلوگیری میکند.
فرآیند تقطیر غشایی یک فناوری نمکزدایی است که برای تولید آب شیرین مورد استفاده قرار میگیرد که در آن آب دریا برای تولید بخار حرارت داده میشود و سپس از یک غشای آبگریز عبور میکند و در ادامه به آب شیرین تبدیل میشود. پدیده گرفتگی و خیس شدن اغلب میتواند در طول فرآیند تقطیر غشایی رخ دهد. اگر گرفتگی (Fouling) رخ دهد، میتواند باعث شود که تولید آب شیرین بسیار بیشتر طول بکشد یا طول عمر غشاء مورد استفاده در فرآیند تقطیر را کاهش یابد و در نتیجه هزینه های مربوط به تولید آب شیرین را افزایش دهد.
تیم تحقیقاتی KIST فرآیند تقطیر غشایی را زیر نظر گرفتند و دریافتند که تشکیل کریستالهای کربنات کلسیم (CaCO3) و سولفات کلسیم (CaSO4) روی سطح غشاء عامل اصلی ایجاد رسوب است. آنها همچنین دریافتند که تشکیل بلورهای CaCO3 در ابتدای فرآیند تقطیر غشایی رخ می دهد و باعث خیس شدن جزئی غشاء می شود، در حالی که تشکیل کریستال های CaSO4 باعث خیس شدن کامل غشاء میشود و عملکرد غشاء را متوقف میکند.
تیم تحقیقاتی KIST دریافت که منیزیم از تشکیل CaCO3 و CaSO4 جلوگیری می کند و به طور موثری از رسوب غشاء جلوگیری می کند زیرا منیزیم به راحتی با یونهای کربنات و سولفات موجود در آب دریا ترکیب میشود. در نتیجه مقاومت در برابر خیس شدن غشای آبگریز را افزایش میدهد.
آنتی اسکالانت ها اغلب برای جلوگیری از رسوب ناشی از رشد کریستال های مبتنی بر کلسیم در فرآیند نمکزدایی استفاده میشوند. برخی گزارشها در صنعت در مورد یک فناوری سختیگیری شیمیایی وجود دارد که میتواند به عنوان یک فرآیند پیشتصفیه برای تقطیر غشایی استفاده شود.
با این حال، همچنین گزارش شده است که آنتی اسکالانت های آلی میتوانند کشش سطحی محلول خوراک را کاهش داده و باعث خیس شدن شوند. با این حال، استفاده از سختیگیری شیمیایی به فرآیندهای تهنشینی و فیلتر کردن در مقیاس بزرگ نیاز دارد تا کریستالهای تشکیل شده در طول فرآیند سختیگیری را حذف کند.
تیم تحقیقاتی KIST به رهبری دکتر سئونگپیل جئونگ، اولین تیم تحقیقاتی است که فرآیند پیشتصفیه مبتنی بر افزودن منیزیم به آب دریا را توسعه داده است. این تیم دریافت که منیزیم از تشکیل CaCO3 و CaSO4 جلوگیری میکند و به طور موثر از رسوب غشاء جلوگیری میکند زیرا منیزیم به راحتی با یونهای کربنات و سولفات موجود در آب دریا ترکیب میشود. این تیم همچنین دریافت که کلرید منیزیم اضافه شده (MgCl2) باعث افزایش پایداری غشای آبگریز شده و در نتیجه مقاومت در برابر خیس شدن را افزایش میدهد.
Hye-won Kim نویسنده اول مقاله تحقیقات آب گفت: «انتظار میرود افزایش پایداری غشای آبگریز به بهبود راندمان نمکزدایی و افزایش طول عمر غشاء کمک کند. پیشتصفیه مبتنی بر مواد معدنی و سازگار با محیط زیست نه تنها برای فرآیند تقطیر غشایی بلکه برای سایر فرآیندهای نمکزدایی نیز قابل استفاده است.»
رویکردی کمهزینه و با مصرف انرژی پایین برای تصفیه آبهای آلوده به فلزات سنگین
مهندسان MIT رویکرد جدیدی را برای حذف سرب یا سایر آلایندههای فلزات سنگین از آب توسعه دادهاند که معتقدند بسیار کارآمدتر از هر سیستم دیگری است که در حال حاضر مورد استفاده قرار میگیرد. اگرچه سیستمهای دیگری در دست توسعه هستند که نزدیک به آن هستند. این فرایند میتواند برای تصفیه منابع آب آلوده به سرب در سطح خانگی یا برای تصفیه آب آلوده ناشی از برخی فرآیندهای شیمیایی یا صنعتی استفاده شود.
این سیستم جدید آخرین مورد از یک سری کاربردهای مبتنی بر یافته های اولیه شش سال پیش توسط اعضای همان تیم تحقیقاتی است که در ابتدا برای نمک زدایی آب دریا یا آب لبشور توسعه یافت و بعداً برای حذف ترکیبات رادیواکتیو از آب خنک کننده نیروگاههای هستهای مورد اقتباس قرار گرفت.
این یافتهها امروز در مجله Environmental Science and Technology-Water در مقالهای توسط دانشجویان فارغالتحصیل MIT Huanhuan Tian، محمد الخادرا، و کامرون کنفورتی و استاد مهندسی شیمی مارتین بازانت منتشر شده است.
الخادرا میگوید: «از بین بردن فلز سنگین سمی که در بسیاری از منابع آبی وجود دارد، بسیار دشوار است. بدیهی است که امروزه روشهای جایگزین وجود دارد که این کار را انجام میدهند، بنابراین موضوع این است که کدام روش میتواند آن را با هزینه کمتر و قابل اطمینانتر انجام دهد».
بزرگترین چالش در تلاش برای حذف سرب این است که به طور کلی در غلظتهای کوچکی وجود دارد که عناصر یا ترکیبات دیگر بسیار بیشتر از آن هستند. به عنوان مثال، سدیم معمولاً در آب آشامیدنی با غلظت دهها قسمت در میلیون وجود دارد، در حالی که سرب میتواند تنها با چند قسمت در میلیارد بسیار سمی باشد. الخادرا توضیح میدهد که اکثر فرآیندهای موجود، مانند اسمز معکوس یا تقطیر، همه چیز را به یکباره حذف میکنند. این نه تنها انرژی بسیار بیشتری نسبت به حذف انتخابی نیاز دارد، بلکه نتیجه معکوس دارد زیرا مقادیر کمی از عناصر مانند سدیم و منیزیم در واقع برای آب آشامیدنی سالم ضروری هستند.
رویکرد جدید استفاده از فرآیندی به نام الکترودیالیز شوک است که در آن از میدان الکتریکی برای تولید موج ضربهای در داخل لولهای که آب آلوده را حمل میکند، استفاده میشود. موج شوک مایع را به دو جریان جدا میکند و به طور انتخابی اتمها یا یونهای دارای بار الکتریکی خاص را به سمت یک طرف جریان میکشد و با تنظیم ویژگیهای موج ضربهای برای مطابقت با یونهای هدف، جریانی از آب نسبتاً خالص را در طرف دیگر باقی میگذارد. . سپس جریان حاوی یونهای سرب غلیظ را میتوان به راحتی با استفاده از یک مانع مکانیکی در لوله جدا کرد.
بازانت میگوید: «این در واقع فرآیند را بسیار ارزانتر میکند، زیرا انرژی الکتریکی که برای جداسازی وارد میکنید واقعاً به دنبال هدف با ارزش بالا، که سرب است، میرود. شما انرژی غیرضروری و زیادی برای حذف سدیم هدر نمیدهید.» از آنجایی که سرب در چنین غلظت کم وجود دارد، جریان زیادی در حذف آن یونها وجود ندارد، بنابراین این میتواند یک روش بسیار مقرون به صرفه باشد.
این فرآیند هنوز محدودیتهای خود را دارد، زیرا فقط در مقیاس آزمایشگاهی کوچک و با سرعت جریان بسیار آهسته نشان داده شده است. بزرگ کردن این فرآیند برای کاربردی کردن آن به تحقیقات بیشتری نیاز دارد و استفادههای صنعتی در مقیاس بزرگتر حتی بیشتر طول میکشد. بازانت میگوید، اما این میتواند ظرف چند سال برای برخی از سیستمهای خانگی عملی شود.
برای مثال، خانهای که منبع آب آن به شدت آلوده به سرب است ممکن است سیستمی در زیرزمین داشته باشد که به آرامی جریان آب را پردازش میکند، مخزن را با آب بدون سرب پر میکند تا برای آشامیدن و پخت و پز استفاده شود، در حالی که بیشتر آب برای مصارفی مانند شستشو، سرویس بهداشتی یا آبیاری چمن به صورت تصفیه نشده باقی میماند. چنین استفادههایی ممکن است به عنوان یک اقدام موقت برای مکانهایی مانند فلینت، میشیگان سودمند باشد، جایی که آب عمدتاً توسط لولههای توزیع آلوده شدهاند، سالها طول میکشد تا از طریق تعویض لولهها اصلاح شود.
این فرآیند همچنین میتواند برای برخی از مصارف صنعتی مانند آب پاکسازی تولید شده در عملیات معدنکاری یا حفاری تطبیق داده شود، به طوری که آب تصفیه شده میتواند به طور ایمن دفع شود یا دوباره مورد استفاده قرار گیرد. و در برخی موارد، این میتواند راهی برای بازیابی فلزاتی که آب را آلوده میکنند، اما در صورت جداسازی آنها، محصول ارزشمندی باشد. به عنوان مثال، به گفته محققان، برخی از این مواد معدنی را میتوان برای پردازش نیمه هادیها یا داروها یا سایر محصولات با فناوری پیشرفته استفاده کرد.
به گفته بازانت، مقایسه مستقیم اقتصادی چنین سیستمی با روشهای موجود دشوار است، زیرا برای مثال در سیستمهای فیلتراسیون، هزینهها عمدتاً برای جایگزینی مواد فیلتر است که به سرعت مسدود میشوند و غیرقابل استفاده میشوند، در حالی که در این سیستم هزینهها بیشتر میشود. بیشتر برای ورودی انرژی در حال انجام است که بسیار ناچیز است. او میگوید که در این مرحله، سیستم الکترودیالیز شوک چندهفتهای است که کار میکند، اما برای تخمین عمر طولانی چنین سیستمی در دنیای واقعی خیلی زود است.
بازانت میگوید: «توسعه این فرآیند به یک محصول تجاری مقیاسپذیر مدتی طول میکشد. ما نشان دادهایم که چگونه میتوان این کار را از نقطهنظر فنی انجام داد. مساله اصلی در جنبه اقتصادی خواهد بود. این شامل پیدا کردن مناسبترین برنامهها و توسعه پیکربندیهای خاص است که این کاربردها را برآورده میکند. ما ایده معقولی برای تجاری سازی این طرح داریم. بنابراین مسئله داشتن منابع است که ممکن است نقشی برعهده یک شرکت استارتاپی باشد تا یک آزمایشگاه تحقیقاتی دانشگاهی.»
او میگوید: «فکر میکنم این یک نتیجه هیجانانگیز است، زیرا نشان میدهد که ما واقعاً میتوانیم به این کاربرد مهم پاکسازی سرب از آب آشامیدنی بپردازیم. به عنوان مثال، او میگوید، اکنون مکانهایی وجود دارد که آب دریا را با روش اسمز معکوس نمکزدایی میکنند، اما باید این فرآیند گرانقیمت را دو بار پشت سر هم انجام دهند، ابتدا نمک را حذف کنند و سپس دوباره برای حذف آلایندههای سمی با غلظت کم اما آلایندگی بالا مانند سرب تکرار کنند. این فرآیند جدید ممکن است به جای مرحله دوم اسمز معکوس، با صرف انرژی بسیار کمتر مورد استفاده قرار گیرد.»
هر زمان که شیر آب را در خانه باز میکنید باید آب آشامیدنی تمیز دریافت کنید. تصفیه آبی که از خطوط شبکه توزیع آب شهری جاری میشود میتواند ناخالصیهای بیشتری مانند سلنیوم، فلوراید، باریم، مس، آرسنیک و سایر مواد معدنی را که به طور طبیعی از سفرههای زیرزمینی شسته میشوند، از بین ببرد. این ناخالصیها ممکن است به مقدار کمی در آبی که از شیر مینوشید حضور داشته باشند. اسمز معکوس یا RO فرایندی فوقالعاده است که آب عاری از ناخالصی را در شیر آب منزل شما جاری میکند. اما ممکن است شرایطی وجود داشته باشد که در آن اسمز معکوس ایده آل نباشد.
اسمزمعکوس چیست؟
اسمز (Osmosis) ممکن است پیچیده به نظر برسد، اما در واقع یک فرآیند طبیعی است. این را میتوان در ریشههای گیاهان که آب و مواد معدنی را از خاک جذب میکنند و نحوه جذب آب از خون توسط کلیهها مشاهده کرد. اسمز معکوس از یک غشاء یا فیلتر نیمه تراوا استفاده میکند. آب با فشاری از روی سطح غشا عبور میکند که ناخالصیها را عقب رانده و آب خالص را از غشا عبور دهد. اندازه منافذ غشای اسمز معکوس 0.0001 میکرون است، به این معنی که اسمز معکوس در از بین بردن باکتریها، مانند سالمونلا و ویروس ها، از جمله هپاتیت A، نوروویروس و روتاویروس و تکیاختهها مانند ژیاردیا بسیار موثر است. اگر به مقدار زیاد در آب تصفیه شده از قبل یافت شوند، می توانند برای نوزادان و افراد مسن مضر باشند.
مزایای اسمزمعکوس
هنگامی که آب از شیر آب می ریزد، ممکن است شفاف به نظر برسد، اما حاوی مقادیر کمی از ناخالصیها است که برخی ممکن است آنها را آلایندههای ناخواسته بدانند. اینها میتوانند شامل سرب، نیتراتها و نیتریتها باشند و سهم بالایی از کل جامدات محلول (TDS) داشته باشند. مشکل زیاد بودن کل مواد جامد محلول این است که ممکن است برای افرادی که از سنگ کلیه رنج میبرند سخت باشد. آب نرم حاوی سدیم اضافی است که میتواند برای افرادی که دارای شرایط پزشکی خاصی هستند نیز ایجاد مشکل نماید. فرآیند RO این سطوح را کاهش میدهد تا آب تمیز تولید شود.
معایب اسمزمعکوس
اگرچه آب خیلی تمیز ایده فوق العادهای به نظر میرسد، اما مخالفان خود را دارد. برخی معتقدند که حذف تمام ناخالصیها از طریق فرآیند اسمز معکوس تعداد مواد معدنی مفید را نیز کاهش میدهد. آب کلسیم و منیزیم را در مقادیر مناسب برای کودکان در حال رشد و بزرگسالان سالم تامین میکند. اشکال آب RO این است که میتواند به میزان قابل توجهی این مواد معدنی خوب را کاهش دهد که سلامت کلی قلب و ماهیچهها را به مخاطره بیاندازد. کسانی که از اسمز معکوس به عنوان منبع اصلی آب خود استفاده میکنند، ممکن است دچار عوارض جانبی مانند خستگی، گرفتگی عضلات، ضعف عمومی و در موارد شدید، اختلالات قلبی عروقی شوند. برخی از منتقدان نیز پیشنهاد کردهاند که نوشیدن آب اسمز معکوس باعث رقیق شدن الکترولیت ها در بدن میشود.
راه حل پیشنهادی
اگر از دستگاه های اسمزمعکوس خانگی استفاده میکنید مطمئن شوید که فیلتر پستصفیه (Mineral) به موقع تعویض میشود. گاهی با شیر اختلاط آب ورودی مقداری از املاح موجود در آب پیشتصفیه را به آب تولیدی اضافه میکنند. راه حل دیگر این است که الگوی مصرف آب آشامیدنی به گونهای انتخاب شود که صرفا از آب RO استفاده نشود. البته در دستگاههای صنعتی و نیمهصنعتی اسمز معکوس که وظیفه نمکزدایی از آبها به منظور تولید آب آشامیدنی در ظرفیتهای بالاتر را برعهده دارند، در واحد پستصفیه (Post-treatment) املاح ایجاد کننده سختی و قلیائیت به میزان توصیه شده در استانداردهای رایج از طریق تزریق مواد شیمیایی با گرید خوراکی به آب اضافه میشود.