روش‏های تصفیه و نمک زدایی آب‏های شور

[tabs style=”h1″ ]

[tab title=”خلاصه مقاله” icon=”momizat-icon-pencil22″ ]

امروزه تامین آب شیرین کافی یکی از نیازهای اساسی حیات انسان و صنایع مختلف است. با توجه به رشد  جمعیت جهان و محدودیت ذخایر آب شیرین جهان، نمک زدایی ارزانتر و سریع تر از آب دریا، به منظور تامین انواع مصارف آب، اهمیت روز افزونی پیدا کرده است. شیرین سازی آب شور به کمک روش‏های  مختلف در سطح دنیا متناسب با کمیت و کیفیت آب مورد نیاز انجام می‏ شود. عمده ترین روش‏های  نمک زدایی شامل روش غشایی اسمز معکوس(RO[۱])   تقطیر چند مرحله ای(MED[۲]) ، روش‏ها ی حرارتی تبخیر آنی چند مرحله ای(MSF[۳]) ، روش تقطیر با متراکم سازی بخار VCD[۴]) و تبادل یونی(IX[۵]) می‏ باشند که هر کدام دارای مزایا و معایبی هستند و هر کدام با توجه به شرایط منطقه ای و نیاز،  بکارگیری می شوند. هزینه آب تولید شده یکی از مهمترین عوامل موثر در انتخاب روش است که وابسته به کیفیت آب ورودی، نوع فن آوری، ظرفیت کارخانه، تامین و مصرف انرژی منجر به افزایش هزینه‏ های نمک زدایی و در نتیجه بعضا غیراقتصادی شدن روش می شوند. ویژگی‏های محل احداث کارخانه، هزینه انتقال آب از منبع به محل تصفیه خانه، نحوه توزیع آب تصفیه شده و دفع پسماند تولید شده، متفاوت بوده و این عوامل در انتخاب روش‏های مذکور و مقایسه آن‏ها با یکدیگر بسیار تاثیر گذار می‏ باشند. مطالعات انجام شده نشان داده است هزینه تولید آب طی دو فرایند MSF و MED تقریبا یکسان، ولی به کمک اسمز معکوس نسبت به MSF کمتر است. در این مقاله تا حدودی به شرح موارد فوق و معرفی منابع تامین انرژی ارزان و تجدید پذیر برای این فرآیندها پرداخته شده است.

[۱] Reverse osmosis

[۲] Multiple Effect Distillation

[۳] Multi  Stage Flashing

[۴] Vapor Compression Distillation

[۵] Ion Exchange

[/tab]

[tab title=”مشخصات نویسندگان” icon=”momizat-icon-pencil2″ ]

[/tab]
[/tabs]

اهداف آموزشی

انتظار می‏ رود خوانندگان محترم بعد از مطالعه این مقاله بتوانند

1. نمک زدایی را تعریف و روش‏های نمک زدایی آب را توضیح دهند.
2. مزایا و معایب روش تقطیرغشایی و اسمز معکوس را شرح دهید.
3. مهمترین عوامل موثر در انتخاب روش نمک زدائی آب را بیان نمایند.
4. ضرورت استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر در فرآیندهای نمک زدایی را توضیح دهند.

مقدمه

نیاز به آب شیرین به سرعت در حال افزایش است و منابع آب شیرین موجود نمی توانند تمام نیازهای بشر را برآورده نمایند. در حال حاضر با افزایش جمعیت و گسترش شهرها، دسترسی مردم به آب شیرین کمتر می شود(۱). امروزه استفاده از آب آشامیدنی برای مصارفی همچون کشاورزی و صنعت در آینده ای نه چندان دور، بشر را دچار بحران کم آبی می‏کند(۲). همزمان با افزایش جمعیت، کاهش منابع آب شیرین و افزایش خشکسالی‏ها، استفاده از منابع آبی غیر متداول نظیر پساب فاضلاب های تصفیه شده ، آب لب شور و آب دریا به طور فزاینده ای در سرتاسر جهان مورد توجه قرار گرفته است(۳). در بخش‏های جنوبی و جزایر کشور به علت وضعیت خاک، زمین، آب و هوای منطقه  و کمبود جریان‏های سطحی دائمی و حتی نیمه دائمی، مقداری از این جریانات به سفره‏های آب زیر زمینی نزدیک سواحل دریاها نفوذ کرده و منجر به آلودگی آب‏ها  شوند(۴). از این طریق بخشی از آب‏های زیر زمینی شیرین نیز از دسترس انسان خارج می‏ شوند. به همین علت و با توجه به رشد جمعیت جهان و محدودیت ذخایر آب شیرین جهان، نمک زدایی از آب دریا، اهمیت روز افزونی پیدا کرده است. در واقع انتخاب و توسعه ی یک فرایند نمک زدایی کارآمدتر و کم هزینه تر از روش‏ها ی موجود، نیاز ضروری است (۱). طبق گزارش سازمان جهانی بهداشت، پیش بینی می شود که ۶۷ % از جمعیت جهان در سال ۲۰۲۵ با کمبود آب مواجه شوند(۵). در ایران نیز با توجه به نرخ بالای رشد جمعیت پیش بینی می شود در حاشیه خلیج فارس و دریای عمان که بهره برداری از آب دریا به دلیل عدم دسترسی و عدم استفاده از منابع سنتی و قابل اعتماد، بیش از پیش  مورد توجه قرار گیرد. از این رو انتخاب بهترین روش آب شیرین کنی برای کاهش هزینه‏ها و تامین آب کافی، امری اجتناب ناپذیر است (۶). طبق تعریف سازمان جهانی آب ،  به تمامی فرآیندهای مربوط به حذف نمک محلول از آب و تهیه آب آشامیدنی از آب شور (با TDS  یا شوری ۳/۵% یا ۳۵۰۰۰ میلی گرم در لیتر) یا آب لب شور (با  TDS20000 تا  ۳۰۰۰۰میلی گرم در لیتر) را  نمک زدایی گویند. نمک زدایی به عنوان راه حلی جدی برای حل مشکل کم آبی در مناطق ساحلی مطرح است. روزانه بیش از ۵۹/۹ میلیون مترمکعب آب نمک زدایی شده در ۱۴۴۵۱ سایت موجود در سرتا سر جهان تولید می‏ شود. اکثرکشورهای منطقه خاورمیانه و حوزه خلیج فارس (همچون امارات متحده عربی، کویت و عربستان سعودی) به دلیل منابع محدود آب شیرین و البته دسترسی به انرژی ارزان قیمت، در این زمینه پیشتاز هستند. فن آوری‏های نمک‏زدایی در سال‏های اخیر رشد و توسعه چشم‏گیری داشته اند و هم اکنون، نمک زدایی از آب شوردریاها به عنوان یک روش مهم جهانی برای تأمین مصارف آب جوامع بزرگ و صنایع در آینده مطرح شده است. در ایران روزانه ۸۵/۸۹۴ متر مکعب آب نمک زدایی شده به روش اسمز معکوس ،۵۱/۲۷۰ مترمکعب به روش تقطیرچند مرحله ای MED و ۶۷/۰۶۹ متر مکعب به روش تبخیرآنیMSF تولید می شود که عمدتا در منطقه چنوبی کشور و خلیج فارس (خصوصا جزایر کیش و خارک) متمرکز هستند (۷).  روش‏ها ی مختلف شیرین سازی آب شور موجود در سطح دنیا متفاوت بوده و ظرفیت آب شیرین و انرژی مصرفی در هر یک از روش‏ها  متفاوت می‏ باشد. از دیدگاه تئوری تمامی فرایندهای شوری‏زدایی به حداقلی از انرژی نیاز دارند  تا بتوانند آب را تصفیه نمایند. ناکارآمدی یک روش زمانی مشخص می‏ گردد که بخواهیم انرژی یا ماده را از جایی به جای دیگر انتقال دهیم و یا از حالتی به حالت دیگر تبدیل نماییم. راندمان پایین در این مرحله به افزایش مصرف انرژی منجر می‏ شود که موجب افزایش هزینه شوری زدایی می‏ شود.  هم اکنون در سطح دنیا از روش‏ها ی مختلفی مثل روش غشایی اسمز معکوس(RO)  تقطیر چند مرحله ای(MED)  و روش‏ها ی حرارتی تبخیر آنی  (MSF) به عنوان عمده ترین فرایند‏ها برای شیرین سازی آب‏های شور استفاده می‏ شود. در روش‏ها ی حرارتی از گرم کردن آب جهت تولید بخار استفاده می‏ گردد. در فرایندهای غشایی با استفاده از نیروی ویژه فشاری ناخالصی‏های آب جدا می‏ شوند. یکی از مهمترین مسائل مرتبط با این تکنولوژی‏ها، هزینه‏های آن می‏ باشند که در بعضی مواقع آن را به یک روش ناکارآمد تبدیل می‏ کنند. هزینه‏های این فرایندها شامل هزینه سرمایه‏گذاری اولیه، هزینه راه اندازی، و نیز هزینه نگهداری  سیستم در طول عمر مفید دستگاه می‏باشند(۸).

توسعه فرآیندهای جدید نمک زدایی در شیرین سازی آب‏های لب شور و کاهش هزینه‏ های سرمایه‏ گذاری و راهبری و  بهره گیری از انرژی هسته ای، نمک زدایی از آب را به عنوان یکی از گزینه‏های مورد توجه در مقابله با چالش‏های جهانی آب در قرن بیست و یک بدل ساخته است (۹).

روش‏ها ی نمک زدایی از آب‏های شور

روش‏های تصفیه متعددی برای نمک زدایی از آب دریا ارائه شده است که می‏ توان آن‏ها را در دو گروه اصلی فرآیندهای غشایی و فرآیندهای حرارتی طبقه بندی نمود. این تقسیم بندی بر مبنای سازوکارهای مورد استفاده در جداسازی جامدات محلول از آب انجام شده است. در فرآیندهای غشایی (اسمز معکوس و الکترودیالیز ) برای جداسازی نمک‏های محلول و تولید آب شیرین، از نیروی محرکه الکتریکی یا مکانیکی استفاده می‏ شود و درفرآیندهای حرارتی (تقطیر ناگهانی، تقطیر چندمرحله ای وتقطیر با تراکم بخار) از فرآیند تبخیر برای تبدیل آب به بخار استفاده شده و با میعان بخار تولیدی، آبی کم نمک تولید می‏ گردد. به دلیل راندمان بالاتر فرآیندهای غشایی درمصرف انرژی، کاربرد این فرآیندها در مقایسه با فرآیندهای حرارتی، با استقبال بیشتری همراه بوده است. البته باید به این نکته نیز توجه نمود که انرژی مورد نیاز برای غلبه بر فشار اسمزی در آب‏های شور نسبتاً قابل توجه است به طوری که بر مبنای معادلات ترمودینامیکی، کمترین انرژی مصرفی در این فرآیند معادل ۰/۷ کیلو وات بر متر مکعب می باشد بر این اساس، مدیریت مصرف انرژی و افزایش بازده سیستم‏ها ی نمک زدایی از طریق کاهش حجم  آب شور تولیدی و  نیز انتشار گازهای گلخانه ای می تواند چالش‏های اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی مرتبط با کاربرد این فرآیندها را به حداقل برساند (۱۰). به طور کلی می‏توان روش‏ها ی آب شیرین کنی را به دو بخش اصلی گرمایی و غشایی تقسیم نمود. در ایران و جهان روش‏هایی مانند اسمز معکوس، تقطیر چند مرحله ای، متراکم سازی مکانیکی بخار آب و تقطیر چند مرحله ای، چگالش گرمایی بخار طرفداران فراوانی دارند(۱۱).

اسمز معکوس RO

اسمز معکوس، به عنوان یکی از پرطرفدارترین روش‏های  نمک زدایی بوده که محلول‏های آبی در حضور یک غشای نیمه تراوا استفاده می‏ شود. در حالی که » فشار اسمزی « در آن از خاصیت جهت حرکت عادی آب (در اثر فشار اسمزی) از محلول با غلظت پایین تر (آب مقطر) به سمت محلول با غلظت بالاتر (آب شور) است، با اعمال فشار مصنوعی بر روی آب شور، جهت این حرکت عوض شده و نتیجتاً آب شور و نمک در یک طرف غشای نیمه تراوا با قی مانده و در طرف دیگر، آب شیرین سازی شده تولید می‏ شود.فشار مصنوعی تولیدی در حدود ۴۰ تا۸۰ بار بوده و جنس غشای نیمه تراوا، معمولا سلولز استات، پلی آمید یا پلی سلفون می‏ باشد. به علت احتمال گرفتگی غشای مورد استفاده، آب خام شوری که وارد دستگاه RO می‏ شود باید عاری از هرگونه مواد معلق، سختی و باکتری بوده و لذا باید فرآیند پیش تصفیه بر روی آن انجام شده باشد(۱۲).از مزایای سیستم RO می توان به مواردی از قبیل اینکه در مقایسه با MSF به انرژی کمتری نیاز دارد، در واحدهای کوچک اولویت دارد،  به آب ورودی کمتری نیاز دارد،  بو و مزه، شوری و یونهای فلزی را از بین می‏ برد، به سرمایه گذاری کمتری برای نصب نیاز دارد، عملکرد آن آسان و راه اندازی آن سریع است، ظرفیت تولید آن بالا و طراحی آن ساده و رایج است، تعمیرات و سرویس آن نیاز به خاموشی کل سیستم ندارد و از معایب این سیستم می توان به مواردی مانند : نیاز  به فرایند پیش تصفیه ، نیاز به دو یا سه مرحله تصفیه برای رسیدن به کیفیت مطلوب ، نیاز داشتن به مواد شیمیایی و جایگزین غشا‏ها که هزینه بالایی دارد (هزینه نگهداری بالاست) را اشاره نمود (۱۳).

تقطیر سریع چند مرحله ای  MSF

یک روش حرارتی برای نمک زدایی از آب شور دریا بوده که در آن ده مرحله (یا بیشتر) تقطیر در فشارها و دماهای مختلف انجام می‏ پذیرد. با کاهش دمای آب در ورود به مرحله بعد، فشار نیز کاهش  می‏ یابد تا به کاهش نقطه جوش و تبخیر سریع کمک کند. در این روش به آب شور ورودی، مواد ضدگرفتگی و ضد رسوب اضافه می‏ شود. سالانه حداقل یک بار  اسیدشویی جهت رفع رسوبات ایجاد شده در تأسیسات نمک زدایی MSF نیاز است .معمولا تأسیسات نمک زدایی با این روش،  در کنار تأسیسات نیروگاهی برق ایجاد می‏ شوند تا از گرمای اضافی تولید شده در فرآیند تولید برق جهت تأمین حرارت مورد نیاز نمک زدایی استفاده شود. روش MSF در بین روش‏های  حرارتی، بیشتر از همه متداول است (۱۴). از مزایای این سیستم این است که برای آب با کیفیت پایین مناسب می باشد و نیاز کمتری به پیش تصفیه دارد، برای رسیدن به کیفیت بالای آب خروجی با فرایند تک مرحله ای مطلوب تر است ، عمر بهره برداری طولانی تر دارد، تبخیر ناگهانی به جای جوشیدن از پوسته شدن و خوردگی سطح جلوگیری می کند و به تعمیرات و هزینه نگهداری کمتری نیاز است. سیستم های MSF به نگهداری و تعمیرات کمتری نیاز دارند. از معایب این سیستم می توان به مقدار انر‍ژی کل و خصوصا به انرژی گرمایی نیاز بیشتری است، در واحد‏های کوچک مقرون به صرفه نیست، میزان مصرف آب به دلیل فرایند سرد کردن بالاست، هزینه سرمایه گذاری بالایی نیاز دارد، بازیافت آب در این روش کمتر است،  نرخ راه اندازی آن کند و به مکان وسیعی نیاز دارد (۱۲).

تقطیر چند مرحله ای (MED)

یکی از روش‏ها ی گرمایی برای شیرین سازی آب، تقطیر چند مرحله ای است. در مرحله اول این روش تنها بخشی از آب شور ورودی به سلول تبخیر شده و بقیه آب وارد مرحله دوم می شود که این مرحله فشار کمتری نسبت به مرحله قبلی دارد و بوسیله بخار ایجاد شده در مرحله اول، گرما داده میشود تا با این عمل دمای بخارکاهش یافته و به مایع تبدیل شود که این چرخه چندین مرحله ادامه می یابد(۱۱). از مزایای این روش می‏توان به کاهش هزینه‏ های نگهداری با استفاده از انرژی گرمایی اضافی، کیفیت بالای آب نمک زدایی شده، مقاومت بالای این فرایند نسبت به شرایط سخت، قابلیت ترکیب این فرایند با دیگر فرایند‏ها، توانایی آن در جداکردن عوامل بیولوژیکی و معلق، عدم نیاز به تجهیزات بالا برای نگهدای و قابل اطمینان بودن این نوع فرایند اشاره کرد. در صورت کیفیت پایین آب اولیه (خام)، فرایندهای تبخیری ترجیح دارند، زیرا احتیاج به فرایند پیش تصفیه در فرایندهایMED ،MSF و MVC بسیار کمتر از سیستم RO است. از معایب آن نیز می توان به مواردی از قبیل عدم تعمیر و بازیافت این نوع فرایند، انعطاف پذیری پایین، عملکرد و طراحی پیچیده، هزینه سرمایه گذاری و مصرف بالای انرژی و حساسیت به خوردگی را اشاره کرد. نیاز به بهره برداری و نگهداری، سیستم های MED کمی بیش از سیستم MSF است (۱۵).

تقطیر غشایی (MD)

یکی از روش‏ها ی تولید آب از محلول آب نمک استفاده از تقطیر غشایی است. تقطیر غشایی نوعی  از فرآیند‏های جداسازی غشایی می باشد که صرفاً یک تماس دهنده برای دو فاز محسوب می شود و از اختلاط دو فاز با یکدیگر جلوگیری می نماید. در این روش اختلاف فشار بخار در دو سمت غشا بدلیل وجود اختلاف دما است (۱۴). از مزایای تقطیر غشایی می توان به ساختار فرآیندی متراکم، قابلیت عملیاتی شدن در دماهای پایین (بین ۳۰ تا ۹۰درجه سانتیگراد) که حتی توسط منابع گرمایی مازاد و حتی گرمای خورشیدی قابل دسترسی است، ساختار غشایی بسیار ساده و متنوع تر نسبت به اسمز معکوس  مصرف کم انرژی، عدم نیاز به کار در فشار بالا اشاره نمود (۱۰).  پیچیدگی فرآیندهای غشایی، حجم زیاد فاضلاب شور تولیدی در طول بهر ه برداری، حساسیت بالای غشاها و گرفتگی آ‏ن‏ها و انعطا ف پذیری کم آ‏ن‏ها در برابر تغییرات کیفی آب و درجه حرارت از جمله معایب فرآیندهای غشایی است (۱۲).در روش اسمز معکوس جنس و ساختار غشا در عملیات جداسازی نقش مهمی دارد در حالی که در روش تقطیر غشایی این اهمیت کمتر است لذا می توان از غشاهایی با قیمت‏های پایین تر نیز استفاده کرد که این در اقتصاد کلی فرآیند موثر خواهد بود. از آنجا که اندازه حفرات در غشای مورد استفاده در تقطیر غشایی نسبت به اسمز معکوس بزرگتر هستند، مسائل گرفتگی غشاء نیز کمتر خواهد بود. روش تقطیر پتانسیل بسیار خوبی برای تولید آب با درصد خلوص بالا از آب دریا و پسآب‏ها را دارد و از آنجا که دمای عملیاتی در این روش بالا نمی باشد می تواند در صنایع غذایی و یا شیمیایی روشی کارآمد برای تغلیظ محلول‏ها بکار رود (۱۴).

الکترودیالیز  ED

روشی برای نمک زدایی از آب دریا با استفاده از غشای عبوردهنده یون می‏ باشد. در این روش پس از الکترولیز شدن آب شور و حرکت یون‏های تشکیل دهنده نمک به سمت آند و کاتد (که در پشت غشاها قرار دارند)،  آب نمک زدایی شده در فاصله بین دو غشا باقی می‏ ماند. برای استفاده از این روش، شوری حداقل (جهت حفظ رسانایی محلول و مصرف منطقی میزان انرژی الکتریکی) باید برابر ۵۰۰ میلی گرم بر لیتر باشد و میکروارگانیسم‏ها در این روش قابل حذف نیستند(۱۲).

تبادل یونی  IX

در این روش نمک زدایی که یکی از رایج ترین سختی گیرها و حذف کننده املاح و کاتیون ها و آنیون های آب می باشد با استفاده از رزین‌های تبادل یونی، کاتیون های آب مثل کلسیم و منیزیم با یون سدیم و یا گروه های H+ و OH- جایگزین می گردد. یون های هیدروژن و هیدروکسید جایگزین شده نیز پس از ترکیب با یکدیگر، به ملکول آب تبدیل می شوند استفاده از این روش در استحصال آب شیرین مصرفی صنایع بیشتر معمول است. رزین‌های تازه دارای یون سدیم به شکل فعال می‌باشند. بر اساس نوع واکنش جانشینی و گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین، رزین های تبادل یونی به گروه های مختلف رزین های آنیونی قوی و ضعیف و کاتیونی قوی و ضعیف تقسیم می شوند  این رزین ها بایستی بطور متناوب احیاء گردند تا از رسوب املاح آب در آن‎ها جلوگیری گردد. این کار با عبور دادن آب نمک، از رزین صورت می گیرد.   بطور کلی رزین‌های قوی در یک محدوده وسیع  pH و رزین‌های ضعیف در یک محدوده کمتر pH در تصفیه آب عمل می نمایند. البته استفاده از رزین‌های ضعیف، منجر به صرفه جویی قابل توجهی در مصرف مواد شیمیایی مورد نیاز برای احیا می‌شود. رزین‌های کاتیونی قوی قادر به جذب کلیه کاتیون‏های موجود در آب می‌ شود ولی نوع ضعیف قادر به جذب کاتیون‏های هستند که ب قلیائیت آب مرتبط است(۱۶).

تقطیر بخار متراکم (VCD)

سیستم های VCD با متراکم کردن بخار بر روی یک سطح انتقال گرما (لوله) عمل می کنند که این سطح انتقال گرما طوری ساخته می شود که توانایی انتقال گرمای بخار به آب شور و طرف دیگر سطوح را داشته باشد تا منجر به ایجاد بخار می شود. متراکم کننده ها نیاز به انرژی دارند. کمپرسورها باعث کاهش فشار بر روی آب شور تغذیه کننده سیستم می شوند در نتیجه دمای جوش پایین می آید تا انرژی مصرفی نیز کاهش یابد. از محاسن این روش کیفیت بالای آب تولیدی، ساده و قابل اطمینان بودن آن، هزینه سرمایه گذاری معقول و راحتی قابلیت نقل و انتقال تجهیزات متعلق به این سیستم می باشد. از معایب این روش می توان به مشکل آماده سازی و راه اندازی این روش در ابتدای کار و مقرون به صرفه نبودن مقیاس های بزرگ آن از لحاظ اقتصادی با حداکثر بازیافت کمتر از ۵% انرژی گرمایی در این روش اشاره نمود(۱۷).

سایر روش‏ها ی نمک زدایی   

تعداد دیگری از فرایند‏های نمک زدایی آب امروزه گسترش پیدا کرده اند که در سطح تجاری نسبت به فرایند‏های MSF،  MED و RO موفقیت‏هایی را بدست آورده اند و در آینده ممکن است به دلیل پیشرفت این نوع فرایند‏ها و همچنین عملکرد مناسب آ‏ن‏ها گسترش یابند. مهمترین این روش‏ها عبارتند از انجماد و تبخیر به وسیله انرژی خورشیدی (۱۶). در بحث انجماد، اولین بار یک فیزیکدان دانمارکی به نام توماس گزارش داد که آب ناشی از ذوب یخ آب دریا شیرین تر است.  ادعای  این فرایند انجماد و سپس ذوب سازی این است که قادر به حذف و برداشت آب از محلول نمکی با استفاده از منجمد شدن و کریستال شدن آب است و در حالت ایده آل یخ تولید شده بایستی عاری از نمک باشد. آب شیرین را می توان با انجماد تقریبی آب دریا و در نهایت ذوب یخ و تبدیل آن به مایع بدست آورد. فرایند انجماد شامل سه دسته اصلی انجماد مستقیم، انجماد غیر مستقیم و انجماد خلاء می باشد. در انجماد به روش  تماس مستقیم برای درست کردن کریستال و پایین آوردن دمای محلول از مواد سرد کننده مثل بوتان، فرئون وگازهای  CFC استفاده می کنند در این روش ماده منجمد کننده از طریق یک نازل به داخل آب شور پخش  می شود این مواد در فشار پایین تبخیر می شوند و بدین طریق دمای آب پایین آمده و کریستال‏های یخ درست می شوند. در روش تماس غیر مستقیم انرژی حرارتی جهت  انجماد از میان دیواره‏های مبدل حرارتی عبور کرده و از طریق انتقال حرارت به آب شور باعث تشکیل کریستال‏های یخ می شوند. در انجماد به روش خلاء، خلاء به عنوان ماده سرد کننده عمل می کند. در این روش از ایجاد شرایط خلاء جهت تبخیر شدید و ناگهانی آب و در نتیجه سرد شدن توده آب و انجماد آن استفاده می شود. بخارهای حاصل به عنوان یک ماده سرد کننده  برای کاهش دمای محلول و تشکیل کریستال‏های یخ استفاده می شوند. از محاسن این نوع آب شیرین کن‏ها می توان مقدار انرژی مورد نیاز که در مقایسه با روش‏ها ی تقطیر پایین می باشد و از طرفی به دلیل اینکه انجماد در دمای پایین صورت می گیرد مشکلاتی مثل خوردگی و لایه گذاری را کاهش می دهد و از طرفی از معایب این نوع فرایند‏ها می توان به بالا بودن سرمایه گذاری اولیه و ماندن طعم و بو که در آب می گذارد اشاره کرد (۱۸).  فرایند آب شیرین کن خورشیدی شبیه به یک قسمت از چرخه هیدرولوژی طبیعی می باشد که در آن آب دریا توسط نور خورشید گرم شده و تولید بخار می کند و سپس این بخار آب در یک سطح سرد متراکم شده و براثر جمع شدن این سطح متراکم تولید آب می کند (۱۶).  یک نوع از آب شیرین کن‏های خورشیدی، آب شیرین کن خورشیدی لوله ای است. در این نوع انتقال  جرم و حرارت در آب شیرین کن‏های خورشیدی، ناشی از جابجایی طبیعی داخل محفظه به علت نیروی شناوری ناشی از اختلاف دما و چگالی ایجاد شده در سیال می‏ باشد. در یک آب شیرین کن خورشیدی ابتدا تشعشع خورشید جذب کف ظرف حاوی آب شور شده ومتعاقب آن آب درون آن شروع به گرم شدن می‏ کند.

حرارت دریافتی باعث تبخیر آب درون ظرف می‏ شود. بخار آب به علت نیروی شناوری ناشی از اختلاف دما و چگالی موجود بین سطح آب و شیشه به سمت بالا حرکت کرده، بدین ترتیب جریان سیال داخل آب شیرین کن برقرار می‏ شود. بخارآب بالا رفته به شیشه سرد برخورد و تقطیر می‏ شود. آب شیرین تولیدی توسط مکانیزمی جمع آوری شده و به داخل محفظه‏ی مورد نظر تعبیه شده جهت ذخیره سازی آب شیرین راه پیدا می‏ کند.  شکل زیر نمایی شماتیک از نحوه عملکرد یک آب شیرین کن خورشیدی لوله ای را نشان  می‏ دهد (۱۹).

شکل۱ – آب شیرین کن خورشیدی لوله ای

مقایسه هزینه ‏های نمک زدایی از لحاظ مصرف انرژی   

فاکتورهای مختلفی در هزینه آب تولید شده به روش نمک زدایی موثر هستند. این فاکتورها عبارتند از: کیفیت آب ورودی، نوع تکنولوژی، ظرفیت کارخانه، دسترسی انرژی و ویژگی‏های محل احداث کارخانه . هزینه انتقال آب از منبع به کارخانه نمک زدایی، توزیع آب تصفیه شده و خارج کردن پسماند از فاکتورهای مهم دیگرمی‏ باشند.

کیفیت آب ورودی

کیفیت آب ورودی نقش مهمی‏ درهزینه نمک زدایی دارد. جدول ۱ هزینه تامین آب شیرین از منابع آب‏ها‏ ی مختلف را نشان می‏ دهد. همانطور که مشاهده می‏ کنید نمک زدایی آب‏هایی با غلظت TDS پایین (آب لب شور) در مقایسه با غلظت TDS بالا (آب دریا)  به انرژی کمتری نیاز دارند، درنتیجه هزینه نمک زدایی کاهش می‏ یابد.  علاوه بر این پایین بودن  TD بالاترین نرخ تبدیل را فراهم می‏ کند و همچنین مصرف مواد شیمیایی کمتر می‏ شود.  تصفیه مقدماتی آب‏ها‏ ی سطحی از جمله آب‏ها‏ ی جزر و مدی به دلیل وجود آلودگی بیشتر در مقایسه با آب‏ها‏ ی لب شور زیرزمینی هزینه بیشتری در بر دارد.

جدول۱:  مقایسه هزینه تامین آب شیرین از منابع آبی مختلف (۸)

ظرفیت کارخانه

ظرفیت کارخانه از فاکتورهای مهم در طراحی می‏ باشد. این فاکتور بر قسمت‏هایی از قبیل:  اندازه واحدهای تصفیه، میزان پمپاژ، مخزن ذخیره آب و سیستم توزیع آب اثر می‏ گذارد. کارخانه‏هایی با ظرفیت بالا به سرمایه گذاری اولیه بیشتری در مقایسه با کارخانه‏های ظرفیت پایین نیاز دارند ولی به دلیل اقتصاد مقیاس  (Economy of Scale)  افزایش تولید به منظور سرشکن کردن هزینه سربار ،  هزینه تولید برای کارخانه‏های با ظرفیت بالا کمتر می‏ شود.

خصوصیات سایت

خصوصیات سایت یکی از عوامل موثر بر هزینه تولید است . در دسترس بودن زمین کافی وخصوصیات آن هزینه تولید را تعیین می‏ کند. به عنوان مثال؛ اگر موقعیت کارخانه به منبع آب و محل تخلیه شورآب غلیظ نزدیک باشد؛ در نتیجه هزینه پمپاژ و هزینه‏های نصب لوله به طور قابل ملاحظه ای کم می‏ شود. همچنین اگر کارخانه حالت گسترش یافته یک تصفیه خانه آب باشد، هزینه‏ های مربوط به ساخت دریچه مکش آب، تصفیه مقدماتی و دفع شورآب غلیظ، در مقایسه با ساخت یک کارخانه جدید کاهش می‏ یابد.

دفع زه آب آب شیرین کن‏ها

چگونگی تخلیه آب شور پسماند از مسائل مهم در برنامه نمک زدایی به شمار می‏ رود. طراح باید سیستم را طوری طراحی کند که تخلیه مواد پسمانده در آب خسارتی به محیط وارد نکند. در پسماندها، تمامی نمک‏های جدا شده از آب شور اولیه به همراه مواد دیگری که اغلب زیان بخش است وجود دارد. دفع شورآب غلیظ از فاکتورهای مهم اقتصادی است و همواره تحت تاثیر عوامل مختلفی از قبیل ویژگی‏های محل کارخانه ، ویژگی‏های زمین شناسی، شرایط خاک، نزدیکی به محل دفع پسماند ، موافقت عمومی و نوع روش دفع پسماند، می‏ باشد. بر اساس این محدودیت‏ها هزینه دفع پسماند غلیظ در محدوده ۵ تا ۳۳ % هزینه آب تولید شده است. روش‏ها یی از قبیل برگشت آب شور به داخل جریان ورودی یا به انشعاب فرعی دیگر، توزیع در سطح آب تزریق به چاه‏های عمیق، استفاده از برکه‏های تبخیر، استفاده از مکانیزم تبخیر به منظور تبدیل پسماند مایع به پسماند جامد، از جمله روش‏ها یی است که به منظور دفع شورآب غلیظ در کارخانه‏های نمک زدایی استفاده می‏ شود . در صورتی که هزینه‏های مربوط به حمل و نقل شورآب، تصفیه نهایی و ساخت کانال خروجی قابل ملاحظه باشد، توزیع شورآب در سطح آب یک راه حل متعارف و مقرون به صرفه است. به هر حال هزینه‏های دفع پسماند کارخانه‏های نمک زدایی داخلی (کارخانه‏ هایی که از ساحل فاصله دارند)  معمولا بیشتر از کارخانه‏های ساحلی است؛ زیرا کارخانه‏ های داخلی نمی‏ توانند پسماند را در سطح آب دفع کنند، به جز در شرایطی که بتوان پسماند را باکیفیت قابل قبولی تصفیه کرد (۸).

تکنولوژی‏های مختلفی به منظور نمک زدایی وجود دارد، اما از بین آ‏ن‏ها روش‏ها ی ،MED ،MSF و  RO رایج هستند. در سراسر دنیا اغلب از این روش‏ها  به منظور نمک زدایی آب دریا استفاده می‏ شود (نمودار۲و۱) (۲۰).

نمودار ۱ – درصد تولید آب نمک زدایی شده دنیا از فرایند‏های مختلف در سال ۲۰۱۱

نمودار ۲ – استفاده از آب شیرین کن‏ها و فرایند نمک زدایی در جهان در سال ۲۰۱۱

با توجه به این که فرایند‏های نمک زدایی به منظور تامین انرژی از منابع مختلف استفاده می‏ کنند و بازده انرژی آ‏ن‏ها متفاوت است؛ بنابراین انجام مقایسه بین آ‏ن‏ها کار ساده ای نیست. از طرفی همانطور که قبلا ذکر شد فاکتور‏های مختلفی بر هزینه نمک زدایی موثر هستند؛ از این رو به منظور مقایسه صحیح بین سه نوع تکنولوژی مختلف RO ،MSF و MED ضروری است که شرایط آ‏ن‏ها یکسان باشد. هزینه‏ های نمک زدایی براساس داده‏هایی در سال ۲۰۰۳ توسط آزمایشگاههای ملی سندیا درجدول ۲ ذکر شده است.

جدول شماره ۲: مقایسه هزینه‏های نمک زدایی آب دریا در هر فرایند

با توجه به  جدول  شماره ۲ نتیجه گیری می شود:

– به دلیل یکسان بودن شرایط (کیفیت آب، ظرفیت تولید، ویژگی‏های محل) تقریبا هزینه تولید آب در این فرایندها یکسان است.

– هزینه عملیات و نگهداری در فرایند‏های حرارتی MSF ,  MED برابر و حدود ۶ % هزینه کل می‏ باشد .

هزینه عملیات و نگهداری در فرایند RO به دلیل انسداد غشاء و درنتیجه تعویض آ‏ن‏ها حدود ۳ برابر روش‏ها ی MSF ، MED است.

– انرژی مورد نیاز برای فرایند‏های حرارتی عملا مستقل از غلظت نمک است و در فرایند‏های غشایی رابطه مستقیم با غلظت نمک دارد.

– فرایند‏های MED  از لحاظ مصرف انرژی کم مصرف هستند .

-فرایند‏های حرارتی MSF با اینکه از لحاظ طراحی کامل می باشند  اما بیشترین انرژی را مصرف می کنند(۸).

بررسی روش‏های استحصال انرژی از منابع تجدید پذیر

کاهش در میزان مصرف انرژی علاوه بر کاهش هزینه‏ های نمک زدایی، موجب کاهش نگرانی‏های زیست محیطی ناشی از انتشار گازهای گلخانه ای در اثر استفاده از سوخت‏های فسیلی به منظور تامین منبع انرژی برای نیروگاههای نمک زدایی از آب دریا می‏شود. بدین منظور روش‏ها ی به حداقل رساندن انرژی مصرفی و یا جایگزینی انرژی‏های تجدیدپذیر در سراسر جهان و همچنین بکارگیری روش‏ها ی طراحی و بهره برداری جدید و کارآمد به منظور کاهش مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه ای امری ضروری است (۲۱).  بدون شک، نمک زدایی از آب توسط  منابع انرژی تجدید پذیر  در نواحی از جهان که در آن‏ها نور خورشید  و یا باد  قابل استفاده و در دسترس است بسیار  مناسب می‏ باشد.  آب شیرین کن‏های غشایی همراه با انرژی‏های تجدید پذیر (قابل برگشت) در زمان حال که منابع آب شیرین  و سوخت رو به اتمام می‏باشد بسیار مناسب است(۱۶). کاربرد‏های بالقوه آب شیرین کن غشایی همراه با انرژی‏های تجدید پذیر (قابل برگشت) برای صنایع و کشورهای در حال رشد ممکن است یک نمونه خوب استراتژی مهندسی در حال گسترش باشد. سیستم‏های انرژی خورشیدی، فن آوری‏های جدیدی هستند که برای تامین گرما، آب گرم، الکتریسیته وحتی سرمایش منازل مسکونی، مراکز تجاری و صنعتی بکار می‏ روند. از آنجا که باد به دلیل گرادیان فشاربه وجود آمده از تابش غیر یکنواخت خورشید به سطح زمین به وجود می‏ آید، می توان از انرژی تولید شده توسط توربین‏های بادی یا آسیآب‏های بادی در تولید الکتریسیته و شیرین سازی آب با روش‏ها ی اسمز معکوس یا متراکم سازی بخار استفاده کرد. نیاز انرژی هر یک از سیستم‏های آب شیرین کن به دو منبع اصلی انرژی الکتریکی و گرمایی تقسیم می شود در شکل یک، نمونه ای از تلفیق انرژی خورشیدی با واحد آب شیرین کن ارائه شده است. در رابطه با انرژی حاصل از توربین‏های بادی نیز می توان از انرژی الکتریکی حاصله جهت استفاده در سیستم آب شیرین کن بهره برد. با توجه به این مطالب می توان انرژی مورد نیاز برای واحد‏های آب شیرین کن را به سهولت از انرژی تولید شده توسط این منابع تجدید پذیر تامین نمود که چگونگی تلفیق و فناوری‏های مربوط به آن بایستی طراحی گردد. همچنین با توجه به مطالب مذکور، نیاز انرژی هر یک از سیستم‏های آب شیرین کن به دو منبع اصلی انرژی الکتریکی و گرمایی تقسیم می شود. در شکل ۲ نمونه ای از تلفیق انرژی خورشیدی با واحد آب شیرین کن ارائه شده است. در رابطه با انرژی حاصل از توربین‏های بادی نیز می توان از انرژی الکتریکی حاصله جهت استفاده از سیستم آب شیرین کن بهره برد (۲۲).

شکل۲ – نمای کاربرد انرژی خورشیدی در نمک زدایی

بسیاری از راه حل اصلی برای نمک زدایی با استفاده از فرآیندهای غشایی و انرژی‏های تجدیدپذیر پیشنهاد شده است.  اغلب استفاده از سیستم اسمز معکوس را  به عنوان یکی از کارآمدترین از لحاظ مصرف انرژی می دانند و برخی از این برنامه‏ ها  برای جوامع کوچکی نیازمند پیشنهاد شده است. اگرچه ممکن است این سیستم در مقیاس‏های بزرگ نیز کارائی لازم را داشته باشد. از طرفی در مکان‏هایی که این منابع انرژی تجدید پذیر نظیر باد و خورشید وجود دارند، می توان این نوع سیستم‏ها را پیشنهاد داد به شرطی که این نوع سیستم‏ها به درستی طراحی و نصب گردند.  می توان یک سری راه حل‏های مناسب برای استفاده همزمان از دستگاه‏های آب شیرین کن که با روش غشایی کار می کنند را با استفاده از  انرژی‏های تجدید پذیر ارائه داد . طراحی سیستم اسمز معکوس و تقطیر غشاییMD با استفاده از انرژی خورشیدی و باد، و یا استفاده از آن ها به صورت همزمان (هیبریدی) و  انرژی حاصل از موج و فشار‏های هیدروستاتیکی نیز  از این نوع روش‏ها  می باشند (۲۱).

نتیجه گیری

با توجه به مطالب فوق می توان برای مقابله با پیامد‏های ناشی از خشکسالی‏های پی در پی و همچنین سایر عواملی همچون تغییر اقلیم که ما را با بحران آب مواجه نموده، می توان از شیرین کردن آب‏های شور و لب شور به عنوان راهکاری مناسب  استفاده کرد ولی هزینه سرمایه گذاری در فرایند‏های نمک زدایی بسیار زیاد است و انرژی زیادی در این فرایندها مصرف می‏ شود و به طبع آن هزینه تولید آب افزایش می‏ یابد. هزینه سرمایه گذاری و هزینه عملیات و نگهداری کاملا به یکدیگر وابسته است، به طوری که افزایش یکی منجر به کاهش دیگری خواهد شد. فاکتور‏های مختلفی بر هزینه تولید اثر می‏ گذارد، اما کیفیت آب ورودی، ظرفیت کارخانه و خصوصیات محل، از فاکتورهای مهم هستند. براساس نتایج مطالعات انجام شده در خصوص بررسی روش‏ها ی مقایسه ای مصرف انرژی در روش‏ها ی نمک زدایی، می توان نتیجه گرفت که هزینه تولید آب در دو فرایند  MSF و MEDیکسان است و هزینه تولید آب در روش اسمز معکوس نسبت به فرایند‏های حرارتی، کمتر است. فرایند‏های حرارتی به دلیل دفع  زه‏آب با دمای بالا اثر مخربی بر محیط زیست وارد می‏ کنند.  به منظور کاهش هزینه تولید آب،  بهتر است فرایند‏های حرارتی با نیروگاه‏های برق ترکیب شوند. در کل هزینه‏های نمک زدایی از آب به دلیل مصرف انرژی نسبت به سایر سیستم‏های تصفیه بالاتر است، بنابراین با توجه به اینکه میزان مصرف انرژی  از طریق تغییرات ساختاری،  پیشرفت های فنی در سطح جهان کاهش یافته است و از طرفی شوک افزایش بهای نفت و ترس از به اتمام رسیدن این منبع، موجب شده بکار گیری انرژی‏های تجدید پذیر بیشتر مورد توجه قرار گیرد چون این منابع آلاینده بسیار جزئی تولید می نمایند و در شرایط خاص مثل مکان‏های  دور از مراکز شهری و یا مکان هایی که منابع این انرژی‏ها فراوان هستند، مورد استفاده قرار می گیرند.

سوالات

1. نمک زدایی را تعریف و روش‏ها ی نمک زدایی ازآب را به صورت مختصر توضیح دهید؟
2. مزایا و مشکلات سیستم‏های حرارتی و غشایی را توضیح و با یکدیگر مقایسه کنید؟
3. مهمترین عوامل موثر در انتخاب روش نمک زدائی آب را بیان نمایید؟
4. ضرورت استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر در فرآیندهای نمک زدایی را توضیح دهید ؟

[table id=20 /]