آموزشی

تبدیل آب شور دریا به آب شیرین

در حال حاضر، آب و انرژی به عنوان دو ملزومه اساسی زندگی بشر، با چالش‌های بزرگی مواجه هستند. رشد سریع جمعیت و صنعت، همراه با تغییرات آب و هوایی، باعث کاهش عرضه و افزایش تقاضای این منابع شده است. به‌طوری‌که در شرایط فعلی، دو سوم جمعیت جهان به دلیل تغییرات آب و هوایی در معرض خطر کمبود آب قرار دارند.

نمک‌زدایی آب دریا به عنوان یک جایگزین اجتناب‌ناپذیر برای تامین آب جهت مصارف خانگی، آبیاری، توسعه صنعتی و سایر مصارف ضروری تبدیل شده است. مطالعات نشان می‌دهند که میزان وابستگی جهانی به نمک‌زدایی در سال 2020 حدود 1 درصد بوده و این میزان پیش‌بینی می‌شود که به دلیل تغییرات اقلیمی، در سال 2050 به 10 درصد افزایش یابد.

با این وجود، روش‌های فعلی جداسازی آب شیرین از اقیانوس‌ها و دریاها با چالش‌های زیادی همراه است، از جمله مقرون به صرفه‌نبودن و اثرات منفی بر زیست‌محیطی. بنابراین، نیاز به تحقیقات و توسعه روش‌های نوین و پایدارتر در زمینه نمک‌زدایی و تصفیه آب شور احساس می‌شود تا با این چالش‌ها مواجه شده و به تامین منابع آب نظیر آب شیرین برای استفاده‌های مختلف جامعه کمک شود. 

نمک زدایی آب دریا: روشی برای مبارزه با کمبود آب

آب یکی از گرانبهاترین 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 زنگ خطر را به صدا در می آورد و جستجوی راه حل را به پیش می برد. یکی از اینها، و کاملاً جدید نیست، نمک زدایی است که شامل حذف مواد معدنی (عمدتاً نمک) از آب دریا از طریق فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی است. کلیدهای سال های آینده افزایش ظرفیت کارخانه های آب شیرین کن و در عین حال کاهش اثرات زیست محیطی آنهاست.

70 درصد از سیاره ما را آب پوشانده است و به راحتی می توان فکر کرد که بیش از حد کافی وجود دارد. با این حال، آب شیرین در سراسر جهان کمیاب است - فقط 3? را تشکیل می دهد - و دو سوم آن در دسترس نیست، زیرا به شکل یخ است یا غیرقابل دسترس است. حدود 1.1 میلیارد نفر در سراسر جهان به آب شیرین دسترسی ندارند و حدود 2.7 میلیارد نفر حداقل یک ماه در سال از کمبود رنج می برند. به طور متناقض بسیاری از مناطق تحت تاثیر کمبود آب شیرین بسیار نزدیک به دریا هستند و این جایی است که نمک زدایی می تواند کمک کند.

نمک زدایی و تصفیه آب چیست

نمک زدایی فرآیندی است که طی آن نمک های معدنی محلول در آب حذف می شوند. در حال حاضر، این فرآیند که برای آب دریا اعمال می شود، یکی از پرکاربردترین ها برای به دست آوردن آب شیرین برای مصارف انسانی یا کشاورزی است.

نمک زدایی به طور طبیعی در طول چرخه آب اتفاق می افتد: تبخیر آب دریا نمک را پشت سر می گذارد و ابرهایی را تشکیل می دهد که باعث ایجاد باران می شود. ارسطو مشاهده کرد که آب دریا تبخیر شده و تغلیظ شده به آب شیرین تبدیل می شود و داوینچی متوجه شد که بدست آوردن آن با استفاده از یک دستگاه ثابت آسان است.

در طول قرن‌های بعد از نمک‌زدایی آب دریا به‌ویژه در قایق‌ها و زیردریایی‌ها برای تأمین آب شیرین خدمه در طول سفرهای طولانی استفاده شد. با این حال، این فرآیند تا قبل از انقلاب صنعتی و به‌ویژه تا زمان توسعه کارخانه‌های نمک‌زدایی در مقیاس وسیع در دسترس نبود.

کارخانه های نمک زدا از آب دریا

در سطح جهانی، بر اساس مطالعه‌ای که توسط محققان موسسه آب، محیط‌زیست و سلامت در دانشگاه سازمان ملل (UNU-INWE) در سال 2019 انجام شد، تقریباً 16000 کارخانه نمک‌زدایی در حال کار هستند - که در 177 کشور پراکنده شده‌اند - و در مجموع آنها تولید می‌کنند. حدود 95 میلیون متر مکعب در روز آب شیرین. اولین کشوری که این روند را به طور انبوه اتخاذ کرد استرالیا بود، کشوری بسیار خشک که در آن خشکسالی به اصطلاح هزاره، بین سال‌های 1997 و 2009، ویرانی به بار آورد. در شهرهای اصلی کارخانه هایی دارد که از طریق اسمز معکوس کار می کنند.

عربستان سعودی از نظر حجمی پیشروترین کشور در امر نمک زدایی است و پس از آن امارات متحده عربی که هر دو کشور بیابانی هستند و به شدت به این فرآیند وابسته هستند. سایر کشورهای خاورمیانه مانند کویت و قطر نیز این تکنیک را انتخاب کرده اند. در ایالات متحده، سومین در این رتبه بندی خاص، تقریباً تقریباً تمام تأسیسات گاز طبیعی برای بهره برداری از گرمای باقیمانده، کارخانه های میکرو نمک زدایی وجود دارد. اسپانیا به لطف کمک جزایر قناری و سواحل آلیکانته و مورسیا، که در آن نیروگاه های حرارتی قدیمی با نیروگاه های نمک زدایی جایگزین شده اند، چهارم است. 

فرآیندهای نمک زدایی و تبدیل آب شور دریا به آب شیرین

در طبیعت، آب شور اغلب به عنوان یک منبع غنی از آب شیرین نگاه شده است. با این حال، فرآیند تبدیل آب شور دریا به آب شیرین به عنوان یکی از چالش‌های مهم محیط زیست و توسعه پایدار مطرح شده است. این فرآیند که به عنوان تحلیل سالیناسیون (تصفیه آب شور) شناخته می‌شود، از روش‌های مختلفی برای حذف نمک‌ها و مواد معلق از آب استفاده می‌کند. در زیر به برخی از روش‌های اصلی اشاره شده است:

·         تقطیر: این یکی از قدیمی‌ترین و مؤثرترین روش‌ها برای تصفیه آب شور است. در این روش، آب شور به صورت بخار تبخیر شده و سپس به حالت مایع بازمی‌گردد، در حالی که نمک‌ها و سایر آلاینده‌ها پس از تبخیر در جایگاه خود باقی می‌مانند.

·         معکوس کردن اسمزی:در این روش، فشار آب شور را افزایش می‌دهند تا آب را از طریق یک ممبران نیمه‌تراوا عبور دهند. این ممبران از نمک‌ها و سایر مواد معلق جلوگیری می‌کند، در نتیجه آب شیرین تولید می‌شود.

·         تصفیه الکترودیونی: این فرآیند شامل استفاده از جریان الکتریکی برای تبدیل نمک‌ها به فرم‌هایی که قابل از بین بردن باشند.

·         استفاده از گیاهان نمک‌زدایی: برخی گیاهان مانند جوانه‌های نمک‌زدایی (مانند سدر) قابلیت حذف نمک‌ها را دارند و می‌توانند به عنوان بخشی از فرآیند تصفیه آب شور استفاده شوند.

این روش‌ها و فرآیندهای دیگری بسته به شرایط محلی، میزان منابع مالی و فناوری‌های موجود مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما باید توجه داشت که تصفیه آب شور هزینه‌بر و پیچیده است و نیازمند فناوری‌های پیشرفته و سرمایه‌گذاری مناسب است. در ادامه به شرح این فرآیندها می پردازیم: 

تقطیر

تقطیر متشکل از جوشاندن آب دریا در یک دستگاه ثابت، جمع آوری بخار و تغلیظ آن برای به دست آوردن آب شیرین، واضح ترین روش برای حذف نمک است، اما موثرترین روش نیست زیرا مقادیر زیادی انرژی مصرف می کند.

اسمز معکوس

این فرآیند بیشترین استفاده را دارد و انرژی کمتری نسبت به بقیه مصرف می کند، زیرا بر اساس استفاده از غشاهای نیمه تراوا است که به آب اجازه عبور می دهد، اما نمک را نه. این غشاها از پلی آمید بسیار نازک ساخته شده اند که می تواند با باکتری ها آلوده شود، بنابراین آب باید تصفیه شود. 

تقطیر خورشیدی

با تقلید از چرخه آب، از تبخیر آب دریا در تاسیسات بزرگ با سقف تشکیل شده است که 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.

الکترودیالیز

این شامل حرکت آب نمک از طریق غشاهای دارای بار الکتریکی است که یون های نمک حل شده در آب را به دام می اندازد و به آب شیرین امکان استخراج می دهد. انواع مختلفی از الکترودیالیز وجود دارد، مانند معمولی و معکوس.

نانو فیلتراسیون

این فرآیندی است که از غشاهای نانولوله ای با نفوذپذیری بالاتر نسبت به غشاهای اسمز معکوس استفاده می کند که باعث می شود آب بیشتری در فضای کمتری با انرژی کمتر پردازش شود. این غشاها با ترکیبات سولفونه تولید می شوند که علاوه بر نمک، آثار آلاینده را از بین می برند.

تشکیل هیدرات گازی

هیدرات های گاز بلورهای جامدی هستند که از ترکیب آب با گازی مانند پروپان در فشار بالا و دمای پایین تشکیل می شوند. در طول این فرآیند، تمام نمک ها و ناخالصی های موجود در آب ناپدید می شوند و با افزایش دما، می توان گاز را بازیابی کرد و آب شیرین را ترک کرد. 

گیاهان نمک ‌زدا

گیاهانی که به عنوان گیاهان تصفیه‌کننده نمک آب شناخته می‌شوند، معمولاً به عنوان گیاهان تحمل‌کننده نمک نیز شناخته می‌شوند. این گیاهان قادرند نمک را از خاک و آب خود جذب کرده و در بدن خود ذخیره کنند، بنابراین می‌توانند به تصفیه نمک‌های موجود در آب کمک کنند. برخی از این گیاهان عبارتند از:

1.      ملافی: این گیاه گونه‌های مختلفی دارد و معمولاً در سواحل شورابه‌ها و مناطق نمکی رشد می‌کند. ریشه‌های آن نمک‌های موجود در آب را جذب کرده و این نمک‌ها را در بافت خود ذخیره می‌کند.

2.      سویا: این گیاه نمک‌زدای قوی‌تری است و معمولاً در زمین‌های شورابه‌ای و نمکی رشد می‌کند. آنها همچنین می‌توانند به تنظیم نمک در آب کمک کنند.

3.      گیاهان هالوفیت (Halophyte): این گروه شامل گونه‌های مختلفی از گیاهان است که می‌توانند در شرایط نمکی زندگی کنند و قادر به جذب و ذخیره نمک در اندام‌های خود هستند.

4.      سمندر: این گونه گیاهان معمولاً در مناطق شورابه‌ای و نمکی رشد می‌کنند و نقش مهمی در تصفیه آب و خاک این مناطق دارند.

این گیاهان به طور طبیعی در محیط‌های نمکی رشد می‌کنند و می‌توانند به عنوان یکی از عوامل تصفیه‌کننده‌ی طبیعی در این محیط‌ها عمل کنند. از طرفی، کشت این گیاهان در مناطقی که با مشکل نمک‌زدایی آب روبرو هستند، می‌تواند به عنوان یک روش برای کنترل نمک‌های موجود در آب استفاده شود.

مزایا و معایب نمک زدایی تبدیل آب شور دریا به آب شیرین

با کاهش ذخایر آب شیرین در جهان، نمک زدایی یک نیاز رو به رشد است. طبق مطالعه فوق الذکر سازمان ملل که توسط مجله Science of the Total Environment منتشر شده است، همراه با استفاده مسئولانه از منابع آب، ممکن است علیرغم معایب خاصی که نباید نادیده گرفته شوند، برای حل کمبود آب در آینده کلیدی باشد.

فرآیند نمک زدایی آب بدون ضربه نیست زیرا بقایای حاصل از این فرآیند، آب نمک، فاضلاب با غلظت بالایی از نمک و آلاینده است که در بسیاری از موارد به دریا ریخته شده و اکوسیستم ها را تحت تاثیر قرار می دهد. به طور خاص، مطالعه میزان تخلیه آب نمک را در 142 متر مکعب در روز تعیین کرد. همچنین خطر نشت آب وجود دارد که می تواند سفره های آب ساحلی را آلوده کند. 

کشتی‌ تصفیه کننده آب شور

برای تصفیه آب شور دریا به آب شیرین، از کشتی‌های تصفیه آب شور به عنوان تصفیه‌کننده آب استفاده می‌شود. این کشتی‌ها به طور خاص برای تولید آب شیرین از آب‌های شور دریاها طراحی شده‌اند و به عنوان یکی از راهکارهای مدرن برای تامین منابع آب شیرین در مناطقی که به نیازهای آب شیرین نیاز دارند، استفاده می‌شوند. این کشتی‌ها اغلب به عنوان کشتی‌های تصفیه آب شور (یا کشتی‌های تصفیه کننده آب شور) شناخته می‌شوند.

فرآیند تصفیه آب شور در این کشتی‌ها معمولاً به کمک فرایندهای تصفیه مختلفی از قبیل اسمز معکوس، تبخیر و تجمع، تصفیه با استفاده از فیلتراسیون و یا تصفیه با استفاده از فناوری‌های متنوع دیگر انجام می‌شود. پس از تصفیه، آب شیرین تولید شده می‌تواند برای مصارف مختلف مانند آب آشامیدنی، آبیاری، و یا استفاده در صنایع مورد استفاده قرار گیرد.

این نوع کشتی‌ها معمولاً در مناطقی با کمبود منابع آب شیرین و یا در مواقع بحران آبی مورد استفاده قرار می‌گیرند، مثل جزایر، مناطق خشک و بیابانی، و مناطقی که با کمبود آب مواجه هستند.

انواع کشتی‌ تصفیه کننده آب شور

چند نمونه از کشتی‌های تصفیه کننده آب شور که در صنعت معروف هستند، شامل موارد زیر می باشند:

1. کشتی تصفیه کننده آب شور Suezmax

   - ابعاد: این کشتی‌ها معمولاً از ابعاد بزرگی برخوردارند و می‌توانند ظرفیت تصفیه بالایی داشته باشند.

   - تکنولوژی: از تکنولوژی‌های پیشرفته تصفیه آب شور مانند اسمز معکوس استفاده می‌کنند.

   - کاربرد: این کشتی‌ها عمدتاً برای تولید آب شیرین از آب شور دریاها و اقیانوس‌ها استفاده می‌شوند.

2. کشتی تصفیه کننده آب شور Seawater Reverse Osmosis (SWRO)

   - تکنولوژی: این نوع کشتی‌ها از فرایند اسمز معکوس با استفاده از ممبران‌های نیمه نفوذپذیر (RO) برای تصفیه آب شور استفاده می‌کنند.

   - کاربرد: این کشتی‌ها برای تصفیه آب شور و تولید آب شیرین برای مصارف مختلف از جمله آبیاری و آب آشامیدنی استفاده می‌شوند. 

3. کشتی تصفیه کننده آب شور Multi-Effect Distillation (MED)

   - تکنولوژی: این نوع کشتی‌ها از فرایند تبخیر و تجمع چند مرحله‌ای (MED) برای تصفیه آب شور استفاده می‌کنند.

   - کاربرد: این کشتی‌ها عمدتاً برای تصفیه آب شور و تولید آب شیرین به منظور استفاده در صنایع و مصارف مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دستگاه آب شیرین کن کشتی

دستگاه تصفیه آب شور کشتی، مانند دستگاه‌های تصفیه آب به صورت صنعتی طراحی شده و بر روی کشتی‌ها یا در بنادر کشتی‌ها نصب می‌شود. این دستگاه با استفاده از ورودی‌هایی به نام EC و TDS آب‌های شور را به آب شیرین تبدیل می‌کند. وقتی که این دستگاه بر روی کشتی نصب می‌شود، ورودی آن، آب‌های داخل دریا و اقیانوس است. این دستگاه قادر است تمامی مواد مضر داخل آب مانند باکتری و ویروس‌ها را از بین ببرد و همچنین نمک‌زدایی و فیلتراسیون آب را انجام دهد. نتیجه آن آب خروجی از این دستگاه شیرین و قابل شرب است و کیفیت آن به صورت استاندارد می‌باشد.

دستگاه تصفیه آب شور کشتی دارای فواید زیادی است که شامل موارد زیر می‌شود:

1. برای افراد و کارکنان داخل کشتی که به صورت شبانه‌روزی در آنجا زندگی می‌کنند، ضروری است.

2. طراحی و ساخت این دستگاه باعث کاهش هزینه‌ها و مصرف آب بر روی کشتی می‌شود.

3. برای مناطقی که با کمبود آب مواجه هستند مانند مردم جنوب و شمال ایران بسیار مناسب است.

4. حمل و نقل این دستگاه به داخل و خارج از کشتی به آسانی انجام می‌شود.

5. در مکان‌های مختلف مانند اسکله‌ها، ناوهای جنگی، جزیره‌های مسکونی، سکوی نفتی و غیره می‌توان از این دستگاه استفاده کرد.

6. برای آب مصرفی در کشاورزی و گلخانه‌ها، در انواع کارخانه‌های دارویی، بهداشتی و صنعتی می‌توان از این آب استفاده کرد.

7. برای تامین آب مصرفی هتل‌ها، رستوران‌ها و کافی‌شاپ‌های منطقه ساحلی نیز مناسب است.

قابل ذکر است که اهمیت این دستگاه در کشتی های باربری مانند کشتی حمل دریایی مواد پتروشیمی و فرآورده های نفتی یا کشتی های فله بر که مسافت های بین قاره ای را طی می کنند از اهمیت دوچندانی برخوردار است، چرا که خدمه کشتی روزها و حتی هفته ها از خشکی و دسترسی به آب تصفیه شده، محروم هستند و برای تهیه غذا و آشامیدن آب، نیاز به آب شیرین و تصفیه شده دارند.

نحوه عملکرد دستگاه آب شیرین کن کشتی

با اینکه کل کشورهای دنیا با کمبود آب مواجه هستند، اما دستگاه تصفیه آب می‌تواند نقش مهمی برای تولید بیشتر منابع آب داشته باشد.

دستگاه آب شیرین کن کشتی به صورت زیر عمل می‌کند:

1. ورود آب شور: در این مرحله، آب شور از دریا یا اقیانوس با استفاده از پمپ‌های قوی وارد دستگاه آب شیرین کن می‌شود.

2. پیش‌تصفیه: پس از ورود به دستگاه، آب به بخش پیش‌تصفیه می‌رود. در اینجا، ذرات جامد معلق، گرد و غبار و مواد آلی دیگر از آب حذف می‌شوند تا به سیستم تصفیه بعدی ارسال شوند.

3. تصفیه با استفاده از ممبران: در این مرحله، آب شور وارد بخش تصفیه اصلی می‌شود. این بخش شامل ممبران‌هایی است که طوری طراحی شده‌اند که تنها مولکول‌های آب از آنها عبور کنند، در حالی که ذرات بزرگ‌تر مانند نمک‌ها و مواد جامد معلق در آب نگه داشته می‌شوند. این فرایند به نام اسمز معکوس شناخته می‌شود.

4. تولید آب شیرین: پس از عبور از ممبران، آب تصفیه شده تولید می‌شود که از آن به عنوان آب شیرین استفاده می‌شود. آب ناخالص و آلوده نیز از سیستم خارج و دفع می‌شود. 

این فرآیند از ترکیب چند مرحله تصفیه، شامل پیش‌تصفیه و استفاده از ممبران‌های اسمز معکوس، به طور موثری آب شور را به آب شیرین تبدیل می‌کند، که برای مصارف مختلف از جمله آبیاری، مصارف خانگی و صنعتی، قابل استفاده است.