نمک زدایی آب دریا

نمک زدایی آب دریا

نمک زدایی آب دریا

.

نمک زدایی آب دریا

بیش از 97 درصد آب روی زمین به دلیل شوری برای مصرف انسان نامناسب است. اکثریت قریب به اتفاق (حدود 99٪) از این آب دریا است، و بیشتر مابقی آن را آب های زیرزمینی شور تشکیل می دهد .نمک زدایی آب شور نوید منابع آبی تقریباً نامحدود را برای تمدن های بشری در مناطق ساحلی دارد.

با این حال، تصفیه آب دریا گران و انرژی بر است و اغلب اثرات نامطلوب زیادی بر اکوسیستم دارد.

با وجود این اشکالات، نمک زدایی می تواند یک انتخاب تکنولوژیکی مناسب در تنظیمات خاص باشد.

پیشرفت های تکنولوژیکی همچنان باعث کاهش هزینه های اقتصادی و زیست محیطی نمک زدایی می شود (WHO، 2007).

 

تکامل تکنولوژیکی: قابل اجرا بودن مستقیم (ده ها کارخانه نمک زدایی در حال حاضر در ژاپن در حال فعالیت هستند)
نیازهای موجود: نیاز به کاهش اثرات خشکسالی در مناطقی که ممکن است به دلیل تغییرات آب و هوایی دچار خشکسالی شوند. این نیازها به ویژه در جزایر کوچک و جاهایی که منابع آب شیرین محدودی دارند زیاد است.
اثرات سازگاری: تأمین منابع آب برای مقابله با خشکسالی ناشی از تغییرات آب و هوایی

نمای کلی و ویژگی ها

سه روش برای نمک زدایی وجود دارد:

  1. تبخیر: روشی برای به دست آوردن آب شیرین با تراکم بخار حاصل از تبخیر آب دریا.
  2. اسمز معکوس: روشی برای به دست آوردن آب شیرین با فیلتر کردن آب دریا تحت فشار با استفاده از یک غشای نیمه تراوا که آب دریا نمی تواند از آن عبور کند.
  3. الکترودیالیز: روشی برای به دست آوردن آب شیرین با استفاده از غشاء مخصوصی که می تواند آب دریا را به ماده رقیق و غلیظ جدا کرده و سپس آب شیرین را از ماده رقیق استخراج کند. این در مرحله تحقیقات تجربی است

کارخانه های نمک زدایی در خاورمیانه و منطقه مدیترانه در حال معرفی هستند و به ویژه روش اسمز معکوس به سرعت در حال گسترش است.

نمک زدایی با روش اسمز معکوس
نمک زدایی با روش اسمز معکوس

توضیح نمک زدایی آب دریا

نمک زدایی آب دریا فرآیندی است که در آن نمک و سایر اجزای تشکیل دهنده برای تولید آب خالص حذف می شود. تقریباً 75 میلیون نفر در سراسر جهان به نمک‌زدایی متکی هستند.

انتظار می‌رود که این تعداد افزایش یابد زیرا منابع آب شیرین توسط رشد جمعیت تحت فشار قرار می‌گیرند . در نتیجه میلیون‌ها نفر دیگر به شهرهای ساحلی با منابع آب شیرین ناکافی نقل مکان می‌کنند .

نمک زدایی بیشترین کاربرد را در مناطق خشک دارد. بیش از نیمی از ظرفیت (حجم) نمک زدایی جهان در خاورمیانه و شمال آفریقا قرار دارد.

آب دریا بیش از 50 درصد از منابع آب شیرین کن در سراسر جهان را تشکیل می دهد. با این حال، تا سال 2005 در ایالات متحده، تنها 7 درصد از کارخانه های نمک زدایی از آب دریا استفاده می کردند.

آب های شور اکثریت آب های منبع برای نمک زدایی را تشکیل می دهند . بیشتر مابقی آن را آب رودخانه ها و فاضلاب تشکیل می دهند .

 

دو جریان آب از نمک زدایی حاصل می شود:

(1)  آب محصول خالص
(2)جریان زباله یا آب نمک با غلظت بالا

روش‌های اصلی نمک‌زدایی به دو دسته تقسیم می‌شوند: فرآیندهای حرارتی (شکل 1) و فرآیندهای غشایی (شکل 2).

عملیات حرارتی از گرما برای تبخیر آب استفاده می‌کند . نمک‌های محلول یا جریان زباله را پشت سر می‌گذارد و آن را از آب خالص جدا می‌کند.
فرآیندهای غشایی از اسمز معکوس و فشار بالا استفاده می کنند تا آب شور را از فیلترهای بسیار ظریف و متخلخل عبور دهند. نمک ها را حفظ می کنند و آب خالص را در یک طرف غشاء و جریان زباله را در طرف دیگر باقی می گذارند.
 بخش عمده ای از آب زمین در دریاها و اقیانوس ها یافت می شود. نمک زدایی فرصتی را برای جوامع ساحلی ایجاد می کند تا به منابع آب شیرین تقریبا نامحدود دسترسی داشته باشند.
علاوه بر این، می توان از تکنیک های نمک زدایی برای تصفیه آب شور در مناطقی که آب دریا نفوذ می کند، استفاده کرد. با توجه به سازگاری با تغییرات اقلیمی، این یک منبع حیاتی برای مناطقی است که منابع آب شیرین موجود دیگر نمی‌تواند از جمعیت محلی پشتیبانی کند .

شکل 1

شکل2

نمک زدایی حرارتی

فرآیندهای نمک‌زدایی حرارتی معمولاً از گرما برای تبخیر آب استفاده می‌کنند و اجزای محلول را پشت سر می‌گذارند.  طی فرایندی بخار آب متراکم شده و  آب  بدست می اید. تقطیر ساده ترین  فرآیندهای حرارتی است و بهره وری انرژی این فرآیند ساده رو به بهبود می باشد .

تقطیر

رایج ترین فرآیند نمک زدایی حرارتی امروزه تقطیر چند مرحله ای فلاش (MSF) است. در سال 2005، MSF 36 درصد از نمک‌زدایی در سراسر جهان را تشکیل می‌دهد (شکل 3). MSF کارایی انرژی تقطیر ساده را با استفاده از یک سری محفظه‌های کم فشار، بازیافت گرمای اتلاف، بهبود می‌بخشد و در برخی موارد، می‌تواند با استفاده از گرمای اتلاف یک نیروگاه مجاور با راندمان بالاتری کار کند.

تبخیر

تبخیر با اثر چندگانه (MEE) (همچنین به عنوان تقطیر با اثر چندگانه شناخته می شود) فرآیند حرارتی دیگری است که از محفظه های کم فشار استفاده می کند. دستیابی به کارایی بسیار بیشتر در MEE نسبت به MSF امکان پذیر است. با این حال، MEE آنقدر محبوب نیست (شکل 3 را ببینید) زیرا طرح های اولیه با پوسته پوسته شدن مواد معدنی مواجه بودند.

طرح های جدیدتر پوسته پوسته شدن مواد معدنی را کاهش داده اند و MEE در حال افزایش محبوبیت است . برای عملیات های کوچکتر با نیاز به حجم حدود 3000 متر مکعب در روز، تقطیر فشرده سازی بخار (VCD) می تواند یک گزینه تقطیر حرارتی مناسب باشد.

VCD از نظر فنی یک فرآیند ساده، قابل اعتماد و کارآمد است که برای استراحتگاه ها، صنایع و مکان های کاری که در آن آب شیرین کافی در دسترس نیست، محبوب است .

نمک زدایی غشایی

فرآیندهای نمک‌زدایی غشایی از فشار بالا استفاده می‌کنند تا مولکول‌های آب را از طریق منافذ بسیار کوچک (سوراخ‌ها) وارد کنند در حالی که نمک‌ها و سایر مولکول‌های بزرگ‌تر را حفظ می‌کنند. اسمز معکوس (RO) پرکاربردترین فناوری نمک‌زدایی غشایی است و در سال 2005 46 درصد از ظرفیت نمک‌زدایی جهانی را به خود اختصاص داده است (شکل 3).

 

نام این فرآیند از این واقعیت ناشی می شود که از فشار برای هدایت مولکول های آب در سراسر غشاء در جهتی بر خلاف جهت حرکت طبیعی آنها به دلیل فشار اسمزی استفاده می شود. از آنجایی که باید بر فشار اسمزی غلبه کرد، انرژی مورد نیاز برای هدایت مولکول‌های آب در سراسر غشا مستقیماً با غلظت نمک مرتبط است.

RO

بنابراین، RO اغلب برای آب های شور استفاده می شود که غلظت نمک کمتری دارند و در سال 1999، تنها 10 درصد از نمک زدایی آب دریا در سراسر جهان را به خود اختصاص داده است .

با این حال، بهره وری انرژی و اقتصاد RO با توسعه غشاهای پلیمری بادوام تر، بهبود مراحل پیش تصفیه و اجرای دستگاه های بازیابی انرژی به طور قابل توجهی بهبود یافته است. در بسیاری از موارد، RO در حال حاضر مقرون به صرفه تر از روش های حرارتی برای تصفیه آب دریا است.

 

نمک زدایی توسط چهار فرآیند حرارتی و غشایی که در بالا مورد بحث قرار گرفت نشان داده می شود 90 درصد از حجم جهانی را دربرمی گیرد.

سایر فرآیندهای نمک زدایی عبارتند از: الکترودیالیز، انجماد، تقطیر خورشیدی، هیبریدی (حرارتی/غشایی/نیروی)، و سایر فناوری های نوظهور (شکل 3).

شکل3

الکترودیالیز

الکترودیالیز (ED) از جریان برای حذف یون‌ها از آب استفاده می‌کند. برخلاف فرآیندهای غشایی و حرارتی که در بالا توضیح داده شد، ED نمی تواند برای حذف مولکول های بدون بار از آب منبع استفاده شود (Miller, 2003). نمک زدایی آب با انجماد در دمای کمی کمتر از 0 درجه سانتی گراد نیز امکان پذیر است، اما این کار شامل مراحل پیچیده ای برای جداسازی فاز جامد و مایع است و معمولاً انجام نمی شود.

با این حال، در آب و هوای سرد، چرخه های طبیعی انجماد-ذوب برای تصفیه آب با هزینه های رقابتی با RO مهار شده است . علاقه به برداشت انرژی خورشیدی منجر به پیشرفت قابل توجهی در فرآیندهای تقطیر خورشیدی شده است.

نمک زدایی هیبریدی

نمک‌زدایی هیبریدی که فرآیندهای حرارتی و غشایی را ترکیب می‌کند و معمولاً به موازات یک تأسیسات تولید برق عمل می‌کند، یک فناوری نوظهور امیدوارکننده است که با موفقیت اجرا شده است .

غشاهای نانوفیلتراسیون (NF) نمی‌توانند شوری آب دریا را تا حد قابل شرب کاهش دهند، اما برای تصفیه آب‌های شور استفاده شده‌اند. غشاهای NF در صورت همراه شدن با RO یک مرحله پیش تصفیه محبوب هستند.

پیشرفت در فناوری نمک‌زدایی افزایشی بوده است که منجر به بهبود مداوم در بهره‌وری انرژی، دوام و کاهش بهره‌برداری و نگهداری در بسیاری از فناوری‌ها شده است.

با این حال، فناوری های جدید در تحقیق و توسعه به طور بالقوه می تواند منجر به پیشرفت های بزرگ شود. این فناوری های نوظهور شامل نانو لوله ها ، غشاهای پیشرفته الکترودیالیز و غشاهای بیومیمتیک هستند.

نمک‌زدایی آب دریا چه زمانی مؤثر است؟

نمک‌زدایی آب دریا زمانی مؤثر است که در بخش‌های آبی با سیاست‌های قوی آب، منابع آبی مشخص و تقاضا، و تخصص فنی قوی اجرا شود. با توجه به بودجه و تقاضای محلی برای منابع آب شیرین، گزینه‌های متعددی برای نیروگاه‌های نمک‌زدایی، روش‌های تصفیه آب و منابع انرژی بالقوه برای نمک‌زدایی (مانند انرژی جایگزین مانند باد) وجود دارد.

ویژگی های آب شور مانند شوری، دما، سطح عمومی آلودگی و غیره در انتخاب تکنولوژی تاثیر زیادی دارد. به عنوان مثال، فرآیندهای غشایی برای آب شور، که معمولاً غلظت نمک کمتری دارد، مناسب‌تر هستند.

ممکن است قبل از شروع فرآیندهای نمک‌زدایی، پیش تصفیه (مثلاً میکروفیلتر کردن جلبک‌ها از آب دریا) مانند فرآیندهای رسوب‌گذاری پیشرفته برای جریان زباله (از جمله خنک‌سازی در صورت لزوم) مورد نیاز باشد.

مزایای نمک زدایی آب دریا

  1. نمک زدایی می تواند تا حد زیادی به سازگاری با تغییرات آب و هوایی کمک کند، در درجه اول از طریق تنوع بخشیدن به منابع آب و انعطاف پذیری در برابر تخریب کیفیت آب می تواند کمک کننده باشد.زمانی که منابع آب فعلی از نظر کمی یا کیفیت ناکافی باشند، تنوع بخشیدن به تامین آب می تواند منابع جایگزین یا مکمل آب را فراهم کند.
  2. فن‌آوری‌های نمک‌زدایی همچنین انعطاف‌پذیری را در برابر تخریب کیفیت آب فراهم می‌کنند، زیرا معمولاً می‌توانند آب محصول بسیار خالص را حتی از آب‌های منبع بسیار آلوده تولید کنند.
  3. افزایش تاب آوری در برابر کاهش سرانه آب شیرین یکی از چالش های کلیدی سازگاری با تغییرات آب و هوایی است. هم خشکسالی کوتاه مدت و هم روندهای اقلیمی بلندمدت کاهش بارندگی می تواند منجر به کاهش سرانه آب در دسترس شود. این روندهای اقلیمی به موازات رشد جمعیت، تغییر کاربری اراضی و کاهش آب های زیرزمینی رخ می دهند. بنابراین، کاهش سریع در دسترس بودن سرانه آب شیرین محتمل است.
  4. دسترسی به منبع کافی آب شیرین برای مصارف شرب، خانگی، تجاری و صنعتی برای سلامت، رفاه و توسعه اقتصادی ضروری است (WHO، 2007)، و نمک زدایی می تواند دسترسی به آب را برای مناطق بالقوه تحت تنش آبی یا خشک فراهم کند. در بسیاری از تنظیمات، فرآیندهای نمک‌زدایی می‌توانند دسترسی به آب‌های شور فراوانی را که قبلاً غیرقابل استفاده بوده‌اند، فراهم کنند.
  5. به دلیل کیفیت بالای آب خروجی، آب آشامیدنی سالم را تامین می کند. همچنین می تواند برای سایر بخش ها مانند صنایعی که به منابع آب بسیار خالص مانند داروسازی نیاز دارند، آب تامین کند.

معایب نمک زدایی آب دریا

اشکالات عمده فرآیندهای نمک زدایی فعلی شامل هزینه ها، انرژی مورد نیاز و اثرات زیست محیطی است.

اثرات زیست محیطی شامل دفع جریان زباله متمرکز و اثرات آبگیری و خروجی بر روی اکوسیستم های محلی است.

با وجود این اشکالات، انتظار می رود که استفاده از نمک زدایی در قرن بیست و یکم به طور گسترده افزایش یابد، در درجه اول به دو دلیل. تحقیق و توسعه ادامه خواهد داد تا نمک‌زدایی انرژی کمتری داشته باشد، 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 سایر مناطق با دسترسی به آب های شور می شود.

نیازهای انرژی زیاد فرآیندهای نمک‌زدایی فعلی به انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک می‌کند و می‌تواند تلاش‌های کاهش تغییرات آب و هوایی را متوقف کند.

موانع نمک زدایی آب دریا

  1. اثرات جریان ضایعات متمرکز بر اکوسیستم ها و تأثیر ورودی آب دریا بر زندگی آبزیان.
  2. نمک زدایی اگرچه با پیشرفت های تکنولوژیکی اخیر در حال بهبود است. اما به دلیل غلظت بالای نمک های ضایعاتی و آثار شیمیایی می تواند اثرات منفی بر محیط زیست داشته باشد .
  3. روش‌های نمک‌زدایی نسبتاً گران هستند و به انرژی زیادی نیاز دارند. اگرچه امکانات فزاینده‌ای برای استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر مانند کوپلینگ نمک‌زدایی خورشیدی یا بادی وجود دارد.
  4. کشورهای در حال توسعه که اغلب بیشترین نیاز به آب شیرین را دارند، ممکن است نتوانند از نمک‌زدایی استفاده کنند.زیرا بهترین فرصت‌ها برای اجرای آن در بخش‌های آب با مدیریت خوب با سیاست‌های آب شفاف است.
  5. استفاده بهینه مستلزم آموزش، تعمیر و نگهداری منظم و دسترسی به قطعات یدکی است که می تواند یک عامل محدود کننده در جوامع دور و کوچکتر باشد.
  6. تأثیرات زیست‌محیطی نمک‌زدایی باید با تأثیرات ناشی از گسترش استفاده از منابع آب شیرین (مانند کاهش آب‌های زیرزمینی، منحرف کردن جریان‌های آب سطحی) سنجیده شود .

اگرچه آب محصول RO تقریباً کاملاً خالص است، این امکان وجود دارد که برخی از ترکیبات احتمالی وارد آب محصول شوند. فرآیندهای قبل یا پس از درمان را می توان برای رسیدگی به چند ترکیبی که به خوبی توسط RO حذف نمی شوند (مثلاً بور) استفاده کرد.

مسائل کلیدی برای گسترش این فناوری ها شامل :

  1. کاهش هزینه های تولید آب شیرین،
  2. تثبیت عملکرد کارخانه
  3. و ایجاد روش های آسان برای بهره برداری، نگهداری و مدیریت کارخانه است.

کاربرد تصفیه آب دریا در کشاورزی

مصرف آب در کشاورزی بسیار زیاد است. استفاده از آب های شیرین و آشامیدنی برای انجام این کار به شدت به منابع آب زیر زمینی آسیب وارد می کند.

در مناطقی که فاصله کمی با دریا دارند می توان با تصفیه آب های شور از آنها در کشاورزی و باغبانی استفاده نمود.

با استفاده از روش های متعددی که در طول متن به آنها اشاره شد، می توان آب دریا را به استانداردهای مورد نیاز برای مصرف در کشاورزی رساند و از این طریق از ورود سدیم به خاک جلوگیری خواهد شد. علاوه براین، آبیاری با آب بدون نمک و املاح منجر به تولید محصولات بهتر با کیفیت بیشتر خواهد شد.

کاربرد تصفیه آب شور در صنعت

از دیگر بخش هایی که  مصرف آب بالایی داشته و همچنین منجر به ورود آلاینده ها به پساب ها می شوند، کارخانجات می باشند. به همین دلیل استفاده از منابع آب های زیر زمینی در صنعت می تواند یک تهدید بزرگ برای کاهش آب های قابل شرب محسوب شود.

علاوه براین، استفاده از آب های شور منجر به ایجاد رسوب بسیار زیاد بر روی تجهیزات مختلف خواهد شد. این امرخطرات متعددی را به همراه دارند. با نمک زدایی مقدار مصرف آب های شیرین و آشامیدنی در محیط های صنعتی را می توان کاهش داد. همچنین از آسیب وارد شدن به تجهیزات آنها نیز جلوگیری به عمل می آید.

کاربرد تصفیه آب دریا در آب آشامیدنی

تنها یک تا دو درصد از کل آب موجود در کره زمین قابلیت استفاده به عنوان آب آشامیدنی و شرب را دارا می باشند. علاوه براین، استفاده از آب با املاح و نمک زیاد به شدت به سلامتی بدن آسیب وارد می کند.

برای غلبه بر این محدودیت در تصفیه خانه های بزرگ از روش های شیرین سازی آب های شور می توان استفاده نمود.

 

تماس با ما: