شیرین کردن ارزان و کارآمدتر آب با یک اختراع جدید

محققان دانشگاه "تگزاس در آستین" و دانشگاه ایالتی "پن"(Penn) فرآیند جدیدی ابداع کرده‌اند که می‌تواند رایج‌ترین مشکلاتی را که در شیرین‌سازی آب وجود دارد، حل کند. همه چیز در این فرآیند مربوط به غشاهای نمک‌زدا است.

نمک‌زدایی یا شیرین کردن آب(Desalination or desalination) اشاره به هر یک از چند فرآیندی است که مقداری نمک و سایر مواد معدنی را از آب شور جدا می‌کند. همچنین به‌طور کلی، منظور از نمک‌زدایی حذف نمک‌ها و مواد معدنی همانند نمک‌زدایی خاک است.

آب شور جهت تولید آب شیرینی که برای مصرف انسان یا آبیاری مناسب است، نمک‌زدایی می‌شود. یک محصول جانبی بالقوه از نمک‌زدایی، نمک است. نمک‌زدایی در کشتی‌های بزرگ و زیردریایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. بیشتر سرمایه‌گذاری‌های اخیر در نمک‌زدایی، بر توسعه راه‌های مقرون به صرفه تأمین آب شیرین برای استفاده انسان، متمرکز شده ‌است. در کنار بازیافت آب از فاضلاب، این یکی از چندین منابع تأمین آب مستقل از بارش است.

در مقیاس بزرگ، نمک‌زدایی به‌ طور معمول با استفاده از مقدار زیادی انرژی، زیرساخت‌های اختصاصی و گرانقیمت انجام می‌شود که آن را از آب تازه به دست آمده از منابع معمول مانند رودخانه‌ها یا آب‌های زیرزمینی گران‌تر می‌سازد. نمک‌زدایی به ویژه مناسب کشورهایی مانند استرالیا است که به‌طور سنتی بر روی جمع‌آوری بارش پشت سدها برای تأمین منابع آب آشامیدنی خود اتکا می‌کند.

غشاهای اسمز معکوس

"اسمز معکوس"(Reverse Osmosis) فرآیند تصفیه آبی است که در آن از فشار برای معکوس نمودن جریان اسمزی آب از درون یک غشای نیمه‌تراوا برای تولید آب خالص و حذف یون‌ها، مولکول‌ها و ذرات بزرگتر حل شده در آب استفاده می‌شود. اگر یک غشای نیمه‌تراوا بین دو محلول آب خالص و آب ناخالص قرار گیرد آب به صورت طبیعی و تحت خاصیت اسمزی از غلظت پایین‌تر به غلظت بالاتر جریان می‌یابد. این پدیده تا هنگامی که پتانسیل‌های شیمیایی دو طرف برابر گردند ادامه خواهد یافت. در حالت تعادل اختلاف فشار بین دو طرف غشاء برابر اختلاف فشار اسمزی است. اگر فشاری برابر با اختلاف فشار اسمزی به محلول غلیظ‌تر اعمال گردد جریان آب قطع خواهد شد. در صورتی که فشار اعمال شده بیشتر از فشار اسمزی باشد، جهت جریان طبیعی آب، معکوس خواهد گردید.

در این روش آب با فشار از میان غشایی گذرانده می‌شود که نیترات و سایر مواد معدنی و بسیاری از مواد شیمیایی و میکروارگانیسم‌ها(عمدتاً باکتری‌ها) را حذف می‌کند. نیم تا دو سوم آب پشت این غشا باقی می‌ماند که به عنوان آب پسمانده(Concentrate) دور ریخته می‌شود. می‌توان پسماند خروجی را مجدداً به سیستم بازگرداند تا در مصرف آب صرفه‌جویی به عمل آید. اگر پساب خروجی که نیم تا دو سوم آب را تشکیل می‌دهد در یک سیکل چرخشی وارد شود می‌توان راندمان سیستم را افزایش داد.

همچنین بهترین روش نمک‌زدایی از آب‌های شور استفاده از فرآیند اسمز معکوس است، زیرا سیستم پیچیده‌ای نداشته و راهبری آن قابلیت کنترل بیشتری از دیگر روش‌ها دارا می‌باشد و با توجه به توسعه روش‌های پیشرفته تولید غشاهای پلیمری، به‌کارگیری این روش توجیه بیشتری دارد.

صنایع امروز برای تصفیه آب مورد استفاده در بخش‌های تولید بخار و فرایند خود از سیستم اسمز معکوس به فراوانی استفاده می‌کنند. اساس کار این دستگاه‌ها بر عبور مولکول‌های غیر یونی مثل آب از یک غشاء با روزنه‌های بسیار ریز بنا شده‌ است. این غشاها به صورتی ساخته شده‌اند که مولکول‌های خنثی را به راحتی از خود عبور می‌دهند. به همین دلیل آب ورودی به سیستم، که دارای املاح مختلف است به آب تقریباً خالص تبدیل می‌گردد. در سیستم اسمز معکوس، جریان ورودی یا خوراک(Feed) به دو جریان آب تصفیه شده(Permeate) و پساب غلیظ(Concentrate) یا (Brine) تبدیل می‌شود. سیستم اسمز معکوس که به واسطه فیلتری که به آن غشاء گفته می‌شود عملیات جداسازی مولکول را انجام می‌دهد. به این صورت که غشاء یا لایه‌های به هم تابیده شده به دور یک لوله استوانه‌ای که بیشتر از جنس پلاستیک است با روزنه‌هایی که اندازه آنها از یک ۱۰ هزارم میکرون کوچکتر هستند آلاینده‌های آب را جداسازی می‌کند. این آلاینده‌های آب شامل نیترات، انگل، باکتری، قارچ، سموم کشاورزی، نمک و سایر املاح محلول آلوده‌کننده می‌باشند.

"مانیش کومار" استادیار گروه مهندسی عمران، معماری و محیط زیست در دانشگاه تگزاس در آستین می‌گوید: غشاهای اسمز معکوس به طور گسترده‌ برای تمیز کردن آب استفاده می‌شوند، اما هنوز چیزهای زیادی در مورد آنها نمی‌دانیم. ما واقعاً نمی‌توانیم بگوییم که چگونه آب از طریق آنها عبور می‌کند، بنابراین همه پیشرفت‌های ۴۰ سال گذشته اساساً در تاریکی انجام شده است.

محققان اکنون کشف کرده‌اند که مشکل غشاهای نمک‌زدا این است که آنها از نظر تراکم و توزیع جرم متناقض هستند. با دادن تراکم یکنواخت به غشاء در مقیاس نانو، آنها می‌توانند عملکرد خود را بهبود بخشند.

غشاهای جدید ابداعی محققان ۳۰ تا ۴۰ درصد کارآمدتر هستند و برای شیرین کردن آب بیشتر به انرژی کمتری نیاز دارند. اگرچه غشاهای اسمز معکوس از فرآیندهای نمک‌زدای غیرغشایی کارآمدتر هستند، اما انرژی زیادی مصرف می‌کنند و این همان جنبه‌ای است که محققان روی آن کار می‌کنند.

این تیم تحقیقاتی که محققانی از دانشگاه ایالتی "آیووا" را نیز شامل می‌شود، برای مهندسی غشاهای جدید، بازسازی‌های سه بعدی ساختار غشاء در مقیاس نانو را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی در آزمایشگاه انجام دادند. آنها مسیر آب را مدل سازی کردند تا تعیین کنند که چگونه می‌توان با استفاده از یک ساختار غشایی جدید آب را به طور کارآمد شیرین کرد.

مدیریت آب شیرین

اگر محققان در کاهش انرژی مورد نیاز غشاها موفقیت بیشتری کسب کنند، می‌توانند یکی از بزرگترین مشکلات سیاره ما را که مدیریت آب شیرین است، حل کنند. این موضوعی است که با گذشت زمان و تغییرات آب و هوایی در حال تشدید است و نیاز مبرم به راه حل دارد.

"انریکه گومز" استاد مهندسی شیمی در دانشگاه "پن" می‌گوید: مدیریت آب شیرین در حال تبدیل شدن به یک چالش اساسی در سراسر جهان است. با کمبودها، خشکسالی و افزایش شدید نوسان الگوهای آب و هوایی انتظار می‌رود این مشکل حتی بیشتر هم بشود. داشتن آب شیرین به ویژه در مناطق دارای کمبود منابع بسیار مهم است.