فرآیند نمک زدایی و ضرورت آن

کمبود آب شیرین در جهان: چرا نمک زدایی آب دریا راهکار ضروری است؟

با توجه به افزایش سریع جمعیت و رشد سریع در زمینه‌های صنعتی و کشاورزی، تأمین آب پاک به یک نیاز ضروری در زندگی مدرن تبدیل شده است. بسیاری از کشورها اکنون از کمبود آب شیرین رنج می‌برند و میزان آب شیرین در بسیاری از ذخایر به طور نگران‌کننده‌ای در حال کاهش است. علاوه بر این، فاضلاب کارخانه‌ها و نیروگاه‌های صنعتی و فاضلاب شهرهای بزرگ، منابع آب شیرین باقی‌مانده را آلوده می‌کنند. پس مهم است که بدانیم درباره (فرآیند نمک زدایی و ضرورت آن).

شکل 1 نشان می‌دهد که تنها 0.5٪ از آب زمین آب شیرین و 2٪ یخچال‌های طبیعی و کوه‌های یخی است، در حالی که آب دریا 97٪ از آب موجود در زمین را تشکیل می‌دهد. اقیانوس‌ها و دریاها بزرگترین ذخایر آب هستند. با این حال، به دلیل غلظت بالای نمک، برای استفاده انسان مناسب نیستند. بنابراین، نمک‌زدایی به یک تکنیک مهم برای تأمین آب شیرین در بسیاری از کشورها، به ویژه در خاورمیانه و شمال آفریقا که بیشتر زمین‌های آنها بیابانی با منابع انرژی فراوان است، تبدیل شده است. تخمین زده می‌شود که بیش از 75 میلیون نفر در سراسر جهان از آب دریا یا آب شور برای نیازهای خود استفاده می‌کنند.

بر اساس آمار جهانی منتشر شده توسط فهرست نمک‌زدایی انجمن بین‌المللی نمک‌زدایی (IDA)، تعداد کارخانه‌های نمک‌زدایی آب شور در سال 2004 به 17348 واحد با ظرفیت 37.75 میلیون متر مکعب در روز آب شیرین از 10350 واحد در سال 2002 رسیده است. ظرفیت اخیر کارخانه نمک‌زدایی جهانی 40 میلیون متر مکعب در روز است و میانگین نرخ رشد سالانه آن برای 5 سال گذشته 12 درصد بوده است.

کارخانه نمک‌زدایی جبل علی در فاز دوم خود، که یک تأسیسات دو منظوره در امارات متحده عربی است، بزرگترین کارخانه نمک‌زدایی در جهان محسوب می‌شود و از ظرفیت 300 میلیون متر مکعب آب در سال در تقطیر فلش چند مرحله‌ای (MSF) استفاده می‌کند. بزرگترین تأسیسات نمک‌زدایی ایالات متحده، واقع در خلیج تامپا، فلوریدا، در سال 2007 با ظرفیت 95000 متر مکعب در روز، نمک‌زدایی را آغاز کرد.

تقریباً در تمام منابع آب نمک‌زدایی شده در جهان، آب دریا حدود 60٪ و آب شور 40٪ را تشکیل می‌دهد. از آنجایی که نمک‌زدایی یکی از فرآیندهای مهم برای تولید آب آشامیدنی است که می‌تواند برای مصرف انسان، آبیاری و صنعت استفاده شود، در دهه‌های گذشته، تحقیقات زیادی برای به حداقل رساندن هزینه این فرآیند انجام شده و روش‌های مختلفی به دست آمده است. در میان این روش‌ها، تقطیر به عنوان یکی از بهترین و اقتصادی‌ترین روش‌ها، به ویژه برای تولید انبوه آب شیرین از آب شور زیاد مانند آب دریا، به نظر می‌رسد.

اصل تقطیر در نمک‌زدایی آب: چگونه آب شور به آب شیرین تبدیل می‌شود؟

همه تکنیک‌های تقطیر بر اساس یک اصل کار مشابه بنا شده‌اند. آب و گازهای محلول در آن می‌توانند در طول جوشاندن آب شور تبخیر شوند، در حالی که مواد معدنی و نمک‌های محلول مگر در دماهای جوش بالاتر از 300 درجه سانتیگراد به راحتی تبخیر نمی‌شوند. بنابراین، در تمام روش‌های تقطیر عملی، فرض بر این است که در طول جوشاندن آب شور، فقط بخار آب خالص و برخی از گازهای محلول خارج می‌شوند در حالی که نمک‌ها و مواد معدنی باقی می‌مانند. در نتیجه، در طول چگالش، فقط بخار آب به آب مقطر خالص و تمیز تبدیل می‌شود. چندین روش تقطیر برای فناوری نمک‌زدایی آب توسعه یافته است که از نظر سادگی، هزینه و کاربرد متفاوت هستند.

تقطیر سنتی آب: ساده اما پرهزینه – چرا مصرف انرژی بالاست؟

تقطیر سنتی ساده‌ترین روش برای تقطیر آب شور است، اما در عین حال از نظر مصرف انرژی گران‌ترین نوع است. این روش تقطیر آب معمولاً در آزمایشگاه‌های شیمی و همچنین کاربردهای خانگی استفاده می‌شود. اصول کار این روش در شکل 1 نشان داده شده است.

در این روش، آب شور در فلاسک جوش توسط یک منبع گرما (بخاری برقی، اجاق گاز طبیعی، اجاق گاز نفتی، صفحه خورشیدی یا هر نوع منبع گرمای دیگر) گرم می‌شود تا شروع به جوشیدن و تبخیر کند. بخار آب به سمت واحد چگالش می‌رود که توسط آب خنک‌کننده جداگانه خنک می‌شود. بنابراین، بخار آب مقداری از گرمای نهان خود را از دست می‌دهد و از حالت گازی (بخار) به حالت مایع (آب مقطر خالص) تغییر می‌کند. قطرات آب با یکدیگر ترکیب شده و به سمت فلاسک جمع‌آوری حرکت می‌کنند. این روش به دلیل گرمای نهان بالای تبخیر آب که حدود 2257 کیلوژول بر کیلوگرم در دمای 100 درجه سانتیگراد است، نیاز به مقدار بسیار زیادی انرژی برای تبخیر آب شور دارد. در نتیجه، روش تقطیر سنتی فقط برای نمک‌زدایی مقدار کمی آب شور مناسب است.

شکل (1)

انواع آب مورد استفاده برای نمک زدایی

انواع آب مورد استفاده برای نمک‌زدایی عمدتاً آب دریا و آب شور است.

آب دریا Seawater

آبی که قرار است نمک‌زدایی شود را می‌توان از سطح دریا یا زیر آن گرفت. روش مؤثرتر استفاده از فیلترها برای به حداقل رساندن میزان پیش‌تصفیه لازم قبل از رسیدن آب به سیستم‌های تصفیه اولیه است. روش‌های آبگیری از زیر سطح شامل گالری‌های نفوذ، چاه‌های ساحلی عمودی و چاه‌های شعاعی است.

آب شور Brackish water

آب شور به طور قابل توجهی کمتر از آب دریا شور است و معمولاً در سفره‌های آب زیرزمینی که ذخایر آب زیرزمینی هستند یا مصب‌ها که مسیرهای پایین‌تری هستند که رودخانه به دریا می‌رسد، یافت می‌شود.

 روش‌های نمک‌زدایی آب دریا

تقطیر حرارتی یکی از بهترین روش‌های تصفیه آب دریا و آب شور برای تبدیل آنها به آب آشامیدنی است. رایج‌ترین فرآیندهای نمک‌زدایی حرارتی عبارتند از:

• تقطیر ناگهانی چند مرحله‌ای (Multi-stage flash distillation)
• تقطیر چند مرحله‌ای (Multiple-effect distillation)
• تبخیر فشرده‌سازی بخار(Vapour-compression evaporation)

تقطیر ناگهانی چند مرحله ای

در تقطیر ناگهانی چند مرحله‌ای، آب شور از طریق چندین محفظه عبور می‌کند که در آنجا در دما و فشار بالا گرم و فشرده می‌شود. با حرکت آب از طریق محفظه‌ها، فشار کاهش می‌یابد. در نتیجه، آب شور می‌جوشد و بخار آب شیرین تشکیل می‌دهد که متراکم و جمع‌آوری می‌شود.

تقطیر چند مرحله ای

تقطیر چند مرحله‌ای از همان فرآیند تقطیر ناگهانی چند مرحله‌ای استفاده می‌کند. تفاوت اصلی این است که به جای استفاده از چندین محفظه یک مخزن، این فرآیند از مخازن متوالی استفاده می‌کند. مخازن متعدد این فرآیند را کارآمدتر می‌کنند.

کارخانه آب شیرین کن چند مرحله ای با انرژی خورشیدی

تقطیر فشرده سازی بخار

تقطیر فشرده‌سازی بخار از گرمای فشرده‌سازی بخار برای تبخیر آب تغذیه استفاده می‌کند. می‌توان آن را به طور مستقل یا با فرآیند دیگری برای تقطیر حرارتی ترکیب کرد. این واحدها معمولاً برای اهداف کوچک تا متوسط مانند تفریحگاه‌ها، صنایع و سایت‌های حفاری نفت استفاده می‌شوند. (بخار آب و ویژگی های آن)

 الکترودیالیز (Electrodialysis)

این روش دیگری است که برای نمک‌زدایی حجم زیادی از آب استفاده می‌شود و از غشاهایی استفاده می‌کند که فقط اجازه عبور یون‌های با بار منفی یا مثبت را در یک زمان می‌دهند. چهار مولکول یونی رایج در آب شور عبارتند از کلسیم، سدیم، کلرید و کربنات. نیروی محرکه آن یک پتانسیل الکتریکی است که کاتیون‌ها و آنیون‌ها را از طریق یک غشای نفوذپذیر جذب و حرکت می‌دهد و در طرف دیگر آب شیرین تولید می‌کند. (تصفیه آب به روش الکترودیالیز)

اسمز معکوس (Reverse Osmosis)

اسمز معکوس نوعی تصفیه آب است که از یک گرادیان فشار برای انتقال آب شور با فشار بالا از طریق غشایی که کلر، نمک و آلودگی را فیلتر می‌کند، استفاده می‌کند. غشای مورد استفاده بسته به فرآیند، اندازه منافذ متفاوتی خواهد داشت و فرآیند می‌تواند میکروفیلتراسیون، نانوفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون یا اسمز معکوس باشد. از آنجا که غشای اسمز معکوس دارای میکروحفره است، لازم است آب ورودی را هم از نظر بیولوژیکی و هم از نظر فیزیکی پیش‌تصفیه کرد تا از رسوب‌گذاری جلوگیری شود و مواد جامد معلق حذف شوند. (اسمز معکوس و اسمز طبیعی)

اسمز معکوس و اسمز طبیعی