نمک زدایی: کاهش بار تشنگی

از دهه 1900 به بعد، حدود 11 میلیون نفر در نتیجه اثرات گسترده خشکسالی جان خود را از دست دادند. خشکسالی - دوره ای با میزان بارندگی کمتر از میانگین در یک منطقه - یک مشکل جهانی رو به رشد است. پیامدهای آن شامل کاهش سطح آب شیرین، قحطی و بیماری است.

اهمیت نمک زدایی در مقیاس جهانی

برای حفظ جمعیت رو به رشد، تحقیقات بر روی ایجاد راه حلی برای این مسائل متمرکز است. حفاری آب زیرزمینی و بازیافت فاضلاب نمونه هایی از راه حل های موقت هستند. از جمله این راه حل ها نمک زدایی است. نمک زدایی فرآیندی است که با استفاده از اسمز معکوس، آب شور را از طریق یک غشا عبور می دهد و آب شیرین را از ناخالصی ها جدا می کند. اگرچه در مکان‌هایی مانند اسرائیل و کالیفرنیا از آن استفاده می‌شود، اما به دلیل شهرت آن برای مصرف انبوه انرژی، هنوز توسط بقیه جهان مورد استفاده قرار نگرفته است.

یک رویکرد برای کاهش هزینه، جایگزینی ماده اولیه مورد استفاده در غشای ساخت با یک ماده نسبتاً ارزان به نام پلی آمید است. متأسفانه این جایگزینی با قیمت دیگری همراه است. مشخص است که کلر یک ماده شیمیایی موجود در تصفیه آب برای از بین بردن باکتری ها است، اما تماس با پلی آمید باعث تخریب غشاء می شود. برای جلوگیری از انحطاط، استخراج کلر به یک مرحله اضافی در فرآیند نمک زدایی تبدیل می شود. با این حال، زمانی که کلر وجود نداشته باشد، میکروب ها می توانند ایجاد شوند و جریان آب را مسدود کنند.

یک راه حل ممکن جایگزینی پلی آمید با اکسید گرافن است. گرافن ترکیبی ساختاری شبیه به لانه زنبوری دارد. پیش‌بینی می‌شود که این ماده در برابر آب نفوذپذیری بیشتری داشته باشد و در نتیجه فشار لازم برای دیکته کردن جریان آب را کاهش دهد.

دانشمندان مواد MIT، جف گروسمن، شریا دیو و همکاران، از این ترکیب در تحقیقات خود استفاده می کنند. تکه های گرافن که از تکه های گرافیت جدا شده اند، در آب قرار می گیرند. سپس مایع از طریق فیلتراسیون خلاء مکیده می شود و ورقه هایی به عنوان باقی مانده باقی می ماند. پسماندها در کنار هم قرار می گیرند تا با پیوند اتم های کربن و اکسیژن، تکه هایی ایجاد کنند. این همجوشی به گونه‌ای تغییر می‌کند که فضاهای بین تکه‌ها به اندازه‌ای بزرگ باشد که جریان مولکول‌های آب را فراهم کند و در عین حال مانع از نمک و سایر ناخالصی‌ها شود. ثابت شد که مولکول های آب راحت تر از پلی آمید از طریق غشای گرافیت عبور می کنند. همچنین استنباط می‌شود که این ماده به دلیل مقاومت کمتر در برابر مولکول‌های آب می‌تواند تقاضای انرژی را بیشتر کاهش دهد، اگرچه این فرضیه هنوز آزمایش نشده است. علاوه بر این، هزینه اکسید گرافن تفاوت زیادی با قیمت پلی آمید ندارد.

کاربرد نمک زدایی در اسرائیل

چند سال پیش، اسرائیل با مشکل خشکسالی شدید روبرو شد - بدترین مشکل در 900 سال اخیر. برای مبارزه با زمین‌های خشک‌تر، اسرائیل کارزار ملی را برای تضمین حفظ آب انجام داد. در سال 2007، توالت های کم جریان و سر دوش مورد استفاده قرار گرفتند و آب سیستم های زهکشی برای آبیاری بازیافت شد. با این حال، بیشترین پیشرفت پس از اجرای کارخانه های آب شیرین کن رخ داد. به عنوان مثال، کارخانه نمک زدایی سورک در اکتبر 2013 شروع به کار کرد. این کارخانه در ده مایلی جنوب تل آویو واقع شده است و بزرگترین تاسیسات آب شیرین کن اسمز معکوس در جهان است.

به دنبال جریان تحت فشار آب، یک مشکل رایج در فرآیند نمک زدایی، هزینه تمیز کردن منافذ مسدود شده از مولکول های باقی مانده است. Edo Bar-Zeev و همکارانش از موسسه تحقیقات آب زاکربرگ اسرائیل، کشف قابل توجهی برای بهبود جداسازی بین آب و آلاینده ها داشتند. آنها از سنگ گدازه متخلخل استفاده کردند که به وسیله آن از تماس میکروارگانیسم ها با غشاها جلوگیری می شود. این فناوری عملکرد دستگاه های نمک زدایی را بهبود بخشید. اکنون 55 درصد از آب خانگی منابع خود را از کارخانه های آب شیرین کن می گیرند.

دیسک های آلومینیومی - عرضه به کشورهای در حال توسعه

تحقیقات بیشتر به سمت مواد جایگزین مانند نانولوله های کربنی به عنوان غشاء گرایش دارد. مسئله اساسی برای ادغام چنین یافته هایی هزینه است. کاربرد چنین فرآیندهایی باید در سطح جهانی مورد توجه قرار گیرد. مناطق روستایی در سرتاسر جهان وجود دارند که کمتر توسعه یافته اند و ممکن است منابع لازم برای توسعه نیروگاه های نمک زدایی برای رسیدگی به مناطق دیگر را نداشته باشند.

برای مقابله با چنین چالشی، جیا ژو از دانشگاه نانجینگ در چین و همکارانش روی منابع جایگزین انرژی مانند خورشید کار کردند. با این حال بسته به تماس مستقیم تنها با خورشید محدود است. تحقیقات به دنبال استفاده از مواد قابل جذب برای افزایش میزان انرژی نور خورشید است. یک راه حل ممکن استفاده از دیسک های آلومینیومی است که بیش از 96 درصد نور خورشید را جذب می کند - 90 درصد آن برای تشکیل بخار آب استفاده می شود. استانداردهای نوشیدن نیز از این طریق رعایت می شود. در صورت اجرا، آلومینیوم ماده ای کم هزینه است و می تواند آب را به همان میزان کارخانه های آب شیرین کن تولید کند. با این حال، به دلیل خالص بودن آب مقطر پس از تبخیر، عدم وجود مواد معدنی مانند منیزیم و کلسیم نتیجه آن است. بنابراین، این به عنوان یک راه حل موقت عمل می کند، اما نباید در طولانی مدت استفاده شود.