بیش از 97 درصد آب‌های روی زمین به دلیل شوری فراوان و یا آلودگی، برای مصرف انسان مناسب نیستند. اکثریت قریب به اتفاق این آب شور، آب دریا است و مابقی آن را آب‌های سطحی و زیرزمینی شور و یا فاضلاب تشکیل می‌دهند. تصفیه آب شور نوید منابع آبی تقریبا نامحدودی را برای تمدن‌های بشری در مناطق ساحلی دارد. با این حال، تصفیه آب دریا؛ بسیار پر هزینه و انرژی‌بر است و اغلب اثرات نامطلوب زیادی بر اکوسیستم دارد. با وجود این مشکلات، تصفیه آب و نمک زدایی می‌تواند یک انتخاب تکنولوژیکی مناسب در شرایط خاص باشد. پیشرفت‌های تکنولوژیکی باعث کاهش هزینه‌های اقتصادی و زیست محیطی نمک زدایی خواهد شد. در این مقاله به بررسی سیستم‌های تصفیه آب و آب شیرین کن خواهیم پرداخت.
شیرین سازی آب چیست؟
شیرین سازی یا نمک زدایی آب (Water desalination)
فرآیندی است که طی آن نمک، مواد معدنی و آلاینده‌های محلول در آب حذف می‌شوند. نمک زدایی بیشترین کاربرد را در مناطق خشک دارد که بیش از نیمی از حجم نمک زدایی در جهان در خاورمیانه و شمال آفریقا انجام می‌شود. آب دریا بیش از 50 درصد از منابع آب مورد نیاز برای شیرین کردن در سراسر جهان را تشکیل داده و مابقی آن را آب رودخانه‌ها و فاضلاب تشکیل می‌دهد. حذف نمک‌های محلول از آب دریا و در برخی موارد از آب‌های زیرزمینی معدنی و فاضلاب‌های شهری، آب‌های غیرقابل استفاده را برای مصارف انسانی، آبیاری، کاربردهای صنعتی و اهداف مختلف دیگر مناسب می‌سازد.
فرآیند شیرین سازی آب در گذر زمان
نمک زدایی آب دریا پیشینه‌ای تاریخی دارد. ارسطو یک روش تبخیر را ابداع کرد که توسط ملوانان یونانی قرن چهارم قبل از میلاد استفاده می‌شد. یکی از نویسندگان عرب نیز رساله‌ای در مورد تقطیر ارائه کرد. در قرن 19 میلادی تقاضا برای آب بدون خوردگی برای دیگ‌ها ایجاد شد و اولین حق امتیاز برای فرآیند نمک‌زدایی در انگلستان در سال 1869 اعطا گردید. در همان سال، اولین کارخانه تقطیر آب توسط دولت بریتانیا در عدن، برای تامین آب کشتی‌ها ایجاد شد. اولین سیستم تامین آب برای مقاصد تجاری در سال 1930 در اروپا، در نزدیکی ونزوئلا ساخته شد.
شیرین سازی یا نمک زدایی آب
روش های شیرین سازی آب (نمک زدایی)
در طبیعت، فرآیند شیرین سازی آب به طور طبیعی از طریق چرخه آب (هیدرولوژیکی) و نور خورشید صورت می‌گیرد. خورشید انرژی مورد نیاز برای فرآیند را تامین کرده که موجب تبخیر آب از منابع سطحی مانند دریاچه‌ها، اقیانوس‌ها و نهرها می‌شود. سپس بخار آب با هوای خنک تماس پیدا کرده، متراکم شده و شبنم یا باران تشکیل می‌دهد. این فرآیند را می‌توان به صورت مصنوعی و با سرعت بیشتری نسبت به طبیعت و با استفاده از منابع جایگزین گرمایشی و سرمایشی بازآفرینی کرد.
دو نوع عمده فناوری که در سراسر جهان برای نمک زدایی استفاده می‌شوند را می‌توان به طور کلی به دو دسته حرارتی (تقطیر) یا غشایی (اسمز معکوس) طبقه‌بندی کرد. روش‌های دیگری نیز برای تولید آب شیرین وجود دارند که در ذیل، به تعدادی از این روش‌ها اشاره خواهد شد.
– تقطیر
تقطیر؛ که شامل جوشاندن آب ناخالص در یک دستگاه ثابت، جمع‌آوری بخار و تغلیظ آن و سپس سرمایش بخار غلیظ شده برای به دست آوردن آب شیرین است، آسان‌ترین روش برای حذف نمک محسوب می‌شود. غالبا استفاده از این روش به دلیل مصرف زیاد انرژی توصیه نمی‌شود.
– سیستم اسمز معکوس
اسمز معکوس (RO) پرکاربردترین فناوری نمک‌زدایی غشایی است و در سال 2005، 46 درصد از ظرفیت نمک‌زدایی جهانی را به خود اختصاص داده است. نمک زدایی آب از طریق اسمز معکوس، به دلیل مصرف پایین انرژی، بیشترین استفاده را برای تولید آب شیرین دارد. در این روش آب، از طریق یک غشای نیمه تراوا (فیلتر) عبور کرده و ناخالصی‌ها به دلیل بزرگ بودن مولکول‌های نمک نسبت به سوراخ‌های غشا اجازه عبور پیدا نمی‌کنند. این غشاها از پلی‌آمید بسیار نازک ساخته شده‌اند که می‌توانند با باکتری‌ها آلوده شود، بنابراین تصفیه آب ضرورت ویژه‌ای پیدا خواهد کرد.
– الکترودیالیز
الکترودیالیز (ED) شامل حرکت آب ناخالص از روی غشاهای دارای بار الکتریکی است که یون‌های نمک محلول در آب را به دام انداخته و امکان تولید آب شیرین را فراهم می‌کند. به عبارت دیگر، این روش از جریان الکتریکی برای حذف یون‌ها از آب استفاده می‌کند. انواع مختلفی از الکترودیالیز وجود دارد، مانند الکترودیالیز معمولی و معکوس.
– نانو فیلتراسیون
این فرآیند نمک زدایی، از غشاهای نانولوله‌ای با نفوذپذیری بالاتر نسبت به غشاهای اسمز معکوس استفاده می‌کند که باعث می‌شود آب بیشتری در فضای کمتر با انرژی کمتر فیلتر شود. این غشاها با ترکیبات سولفونه تولید می‌شوند که علاوه بر نمک، آلاینده‌ها را نیز از بین می‌برند.
– تشکیل هیدرات گازی
هیدرات‌های گاز بلورهای جامدی هستند که از ترکیب آب با گازی مانند پروپان در فشار بالا و دمای پایین تشکیل می‌شوند. در طول فرآیند، تمام نمک‌ها و ناخالصی‌های موجود در آب از بین رفته و با افزایش دما، گاز بازیابی شده و آب شیرین تولید می‌گردد.
هزینه شیرین سازی از طریق فرآیند نمک زدایی
فناوری‌های تولید آب شیرین از طریق فرآیندهای نمک زدایی، برای فعالیت و تولید آب شیرین به انرژی نیاز دارند. انرژی مورد نیاز فرآیند نمک زدایی معمولا از طریق سوخت‌های فسیلی تامین می‌گردد، به همین دلیل تامین آب شیرین از طریق این فرآیندها پرهزینه است. همین دلیل موجب می‌شود که این روش‌ها معمولا در مواردی استفاده شوند که منابع آب شیرین از نظر اقتصادی در دسترس نباشند. علاوه بر این، میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای و پساب‌های آب نمک تولید شده توسط کارخانه‌های آب شیرین کن، چالش‌های زیست محیطی قابل توجهی را ایجاد می‌کند.
فرآیند شیرین سازی آب
مزایا و معایب شیرین سازی آب
مزایای شیرین سازی
بنا به گفته سازمان بهداشت جهانی، دسترسی به منابع کافی از آب شیرین برای مصارف شرب، خانگی، تجاری و صنعتی؛ برای سلامت، رفاه و توسعه اقتصادی ضروری است. نمک زدایی می‌تواند دسترسی به آب را برای مناطق تحت تنش آبی یا خشک فراهم کرده و تا حد زیادی به سازگاری با تغییرات آب و هوایی کمک کند. در بسیاری از موارد، فرآیندهای نمک‌زدایی می‌توانند دسترسی به آب‌های شور فراوانی را که قبلا غیرقابل استفاده بوده‌اند، فراهم نموده و دستیابی به منابع جدید تامین آب را گسترش داده و تنوع بخشد. زمانی که منابع آب فعلی از نظر کمی یا کیفی ناکافی باشد، تنوع بخشیدن به منابع تامین آب می‌تواند جایگزین مناسبی برای جبران کاستی این ماده حیاتی باشد. فن‌آوری‌های نمک‌زدایی می‌توانند کیفیت قابل قبولی را برای آب خروجی فراهم کنند، زیرا معمولا می‌توانند آب بسیار خالص را حتی از منابع آب بسیار آلوده تولید نمایند. این روش می‌تواند به دلیل کیفیت بالای آب خروجی، آب آشامیدنی سالم را تامین می‌کند. همچنین می‌تواند برای سایر بخش‌ها مانند صنایعی که به منابع آب بسیار خالص مانند داروسازی نیاز دارند، آب تامین کند.
معایب شیرین سازی
افزایش تقاضا، رشد جمعیت، توسعه اقتصادی و شهرنشینی منجر به افزایش سریع تقاضا برای تامین آب در مناطق ساحلی و مناطقی که دسترسی به آب سالم و شیرین ندارند شده و نیاز به فرآیندهای نمک زدایی را بیش از پیش افزایش می‌دهند. در کنار تمام مزیت‌های این روش، می‌توان به معایبی از جمله
- هزینه راه‌اندازی بالا
- مصرف انرژی زیاد
- اثرات مخرب زیست محیطی
اشاره کرد. اثرات مخرب زیست محیطی شامل دفع جریان زباله و مواد زائد و اثرات خروجی این پساب‌ها بر روی اکوسیستم‌های محلی است. نیاز به انرژی فراوان در فرآیندهای نمک‌زدایی فعلی نیز موجب انتشار گازهای گلخانه‌ای شده و این امر می‌تواند تغییرات آب و هوایی را رقم بزند. با وجود این اشکالات، انتظار می‌رود که استفاده از نمک زدایی در قرن بیست و یکم به طور گسترده افزایش یابد. پژوهشگران در تلاش‌اند تا فرآیند نمک زدایی با انرژی کمتری صورت پذیرد تا از نظر مالی رقابتی‌تر و از نظر زیست‌محیطی بی‌خطرتر شود. افزایش تقاضا، رشد جمعیت، توسعه اقتصادی و شهرنشینی منجر به افزایش سریع تقاضا برای تامین آب در مناطق ساحلی و مناطقی که دسترسی به آب سالم و شیرین ندارند می‌شود.
