روشی نوین برای شیرین کردن آب‌های شور

123
یک تیم پژوهشی فرآیندی تازه را که بر اساس موج ضربه کار می‌کند، برای نمک‌زدایی از آب‌های شور ابداع کرده است.

امروزه دسترسی به آب آشامیدنی سالم تبدیل به ‌یکی از مسائل مهم جهان شده است. افزایش جمعیت نیاز فزاینده به آب را در اقصی نقاط جهان نشان می‌دهد و به همین دلیل، دانشمندان در پی کشف راه‌هایی تازه برای شیرین کردن آب‌های شور، تصفیه‌ی دوباره‌ی فاضلاب‌ها و بازفرآوری آب‌های آلوده هستند. گروهی از پژوهشگران دانشگاه MIT با‌ یک رویکرد نوآورانه، سیستم نمک‌زدایی جدیدی ابداع کرده‌اند که بر خلاف مدل‌های قبلی، نیازی به جداسازی ‌یون‌ها و مولکول‌های آب ندارد. در بیشتر آب شیرین‌کن‌ها، مولکول‌ها و ‌یون‌ها به وسیله‌ی فیلترهای ویژه‌ای از راه جوشاندن آب و‌ یا به رسوب نشاندن مواد از‌ یکدیگر جدا می‌شوند. در این روش‌ها انرژی نسبتاً زیادی مورد نیاز است.
اما این فرآیند نوین با اعمال شوک‌های الکتریکی به جریان آب باعث می‌شود که دو جریان آب شور و آب شیرین ایجاد شوند که به سادگی می‌توان آن‌ها را از‌ یکدیگر جداسازی کرد. این فرآیند در‌ یک مقاله با جزئیات کامل تشریح و در ژورنال علوم زیست محیطی و فناوری (Environmental Science and Technology Letters) منتشر شده است. نویسندگان این مقاله مارتین بازانت (Martin Bazant)، استاد مهندسی شیمی ‌و ریاضیات، اسون شلامبرگر (Sven Schlumpberger) دانشجوی کارشناسی ارشد، نانسی لو (Nancy Lu) دانشجوی دوره‌ی کارشناسی و متیو سوس (Matthew Suss) محقق دوره‌ی پسادکترا هستند.

بازانت می‌گوید: «این سیستم جداسازی نمک از آب کاملاً جدید و متفاوت است، و بر خلاف سایر آب شیرین‌کن‌ها،‌ یون‌ها و ذره‌ها را با روش جداسازی بدون غشا از‌ یکدیگر مجزا می‌کند. در سیستم‌های سنتی نمک‌زدایی از آب، مانند روش‌های اسمز معکوس و‌ یا الکترودیالیز، غشا‌ها در واقع سد‌های انتخاب کننده هستند که به مولکول‌های آب اجازه‌ی عبور می‌دهند ولی مانع عبور ‌یون‌های درشت سدیم و کلر می‌شوند. فرآیندی که ما ابداع کرده‌ایم ممکن است در ابتدا شبیه به الکترودیالیز معمولی به نظر برسد، اما تفاوت‌های اساسی با آن دارد.»

02

در این روش تازه که شوک الکترودیالیز نامیده می‌شود، ‌یک دیواره‌ی متخلخل شیشه‌ای در جریان آب قرار می‌گیرد که دو طرفش با الکترودهایی پوشیده شده است. هنگامی ‌که جریان برق به الکترودها اعمال شود، جریان آب به دو بخش تقسیم می‌شود که ‌یکی از این بخش‌ها غنی از نمک و دیگری حاوی نمک کمتری است. اگر جریان برق را تا حد معینی افزایش دهیم، میان این دو بخش موج ضربه‌ای ایجاد می‌شود که به طور دقیق آب شیرین و عاری از نمک را از آب شور جدا می‌کند. سپس به راحتی می‌توان با‌ یک مانع فیزیکی ساده، این دو مایع را به سمت مجراهای مختلفی هدایت کرد.

بازانت توضیح می‌دهد: «اگرچه در دو طرف ماده‌ی متخلخل، غشاهایی قرار گرفته اند، اما در حقیقت آب شور از درون آن‌ها عبور نمی‌کند و این غشاها، به عنوان فیلتر برای جداسازی استفاده نمی‌شوند.‌یون‌های سدیم و کلر شناور در آب به وسیله‌ی اعمال فشار خارجی‌ یا با استفاده از فیلتر‌ها برداشته نمی‌شوند، بلکه به واسطه‌ی دریافت شارژ الکتریکی، فقط به ‌یک طرف از مجرای حرکت آب هدایت می‌شوند.» پدیده‌ی جمع آوری نمک از سیال‌ها به وسیله‌ی ایجاد موج ذره چند سال قبل توسط گروه پژوهشی خوان سانتیاگو (Juan Santiago) در دانشگاه استنفورد کشف شد. اما این گروه از روش مذکور برای نمک‌زدایی از آب استفاده نکردند، بلکه هدفشان نمک‌زدایی‌های صنعتی از سیال‌های شیمیایی بود. هم اکنون دستگاه کوچک موج ضربه‌ی آن‌ها در دانشگاه استنفورد موجود است.

04

اما در مقابل سیستم جدید شوک الکترودیالیز فرآیندی مداوم دارد که می‌تواند حجم قابل توجهی آب شور را به صورت جریان دائمی ‌شیرین کند. نکته‌ای که این سیستم را متمایز می‌کند، مهندسی ویژه‌ی آن است که کاملاً عملی و کارآمد است. شوک الکترولیز همچنین می‌تواند آب‌های آلوده را نیز تمیز کند. به دلیل میدان الکتریکی بسیار قوی که به دیواره‌ی متخلخل اعمال می‌شود، طیف گسترده‌ای از انواع ‌یون‌ها، به ویژه‌ یون‌های سمی‌ و خطرناک، به سمت خاصی از جریان آب متمایل می‌شوند و به همراه نمک، از جریان ایجاد شده‌ی آب سالم جدا می‌شوند. حتی ممکن است ولتاژ قوی اعمال شده بتواند باکتری‌های درون آب را نیز از بین ببرد.

03

بازانت می‌گوید: «تولیدهای پژوهشی در هر دو حوزه‌ی آزمایشگاهی و آنالیز نظری توضیح می‌دهند که فرآیند ابداعی ما چگونه کار می‌کند. گام بعدی طراحی‌ یک سیستم کوچک است که بتواند وارد مراحل مختلف تست‌های عملی شود.» شاید این روش در ابتدا نتواند در مقیاس‌های بزرگ با روش‌های معمول مانند اسمز معکوس رقابت کند، اما دست کم می‌تواند کاربردهایی را در پاکسازی آب‌های آلوده بیابد. البته مزیت مهمی ‌که شوک الکترودیالیز نسبت به سایر روش‌ها دارد این است که این سیستم نیازی به زیرساخت‌های پرهزینه و گسترده ندارد و به همین دلیل برای استفاده در مکان‌های دورافتاده و‌یا برای مواقع ضروری که منابع آب به دلیل طوفان ‌یا زلزله غیرقابل استفاده هستند گزینه‌ی مناسبی است.

05

مارتین بیشیول (Maarten Biesheuvel)، دانشمند ارشد مؤسسه‌ی فناوری آب هلند که البته در این پژوهش‌ها شرکت نداشته است، می‌گوید: «این ابداع نقطه‌ی عطفی در حوزه‌ی نمک‌زدایی از آب‌های شور است، زیرا احتمال‌ها و موضوع‌های پژوهشی کاملاً جدیدی را وارد این حوزه کرده است. این آب شیرین‌کن هم برای آب‌های دریاها و هم برای آب‌های ناخالص، مانند آب‌های زیر زمینی قابل استفاده است.»

07

بیشویل اضافه می‌کند: «این گروه پژوهشی، طراحی کاملاً جدیدی را ارائه داده‌اند و من امیدوارم که این ابداع بتواند تلنگری را در حوزه‌ی آب به دانشگاه‌ها وارد کند. بسیار مشتاقم که هرچه زودتر ببینم این سیستم در مقیاس بزرگ ساخته شده و آب شیرین و قابل آشامیدن را در اختیار انسان‌ها قرار می‌دهد.» در کل هزینه ی استفاده از آب شیرین کن‌ها بالاست و استفاده از منابع آب شیرین مقرون به صرفه‌تر است. اما از آن جا که بخش عمده‌ی آب‌های شیرین به صورت یخچال‌های طبیعی هستند و امکان بهره‌برداری از آن‌ها وجود ندارد. منابع دیگر آب‌های شیرین به سرعت در حال کاهش یافتن هستند. امروزه آب شیرین کن‌ها بیشتر در شهرهای کنار دریاهای شور و بنادر و یا در ناوها و زیردریایی‌ها استفاده می‌شوند.
کریستوفر گاسون (Christopher Gasson) از اطلاعات جهانی آب می‌گوید: «بر اساس پیش‌بینی‌های سازمان ملل متحد، در سال ۲۰۲۵ چهارده درصد از جمعیت جهان با کمبود آب جدی مواجه می‌شوند. به همین دلیل لازم است از امروز به فکر یافتن مناسب‌ترین راه‌ها برای تبدیل آب شور به آب شیرین باشیم تا بتوانیم این کمبود را جبران کنیم.» امروزه کشورهای عربستان صعودی، امارات متحده‌ی عربی و اسپانیا بیشترین سایت‌های آب شیرین کن را در جهان دارند.

08

جالب است بدانید که فرآیند نمک‌زدایی از آب شور به طور طبیعی هم در چرخه‌ی آب اتفاق می‌افتد. هنگامی ‌که آب‌های سطح اقیانوس تبخیر می‌شوند، این بخارها عاری از نمک هستند. همچنین هنگامی ‌که آب دریاها یخ می‌زند، یخ‌ها بدون نمک هستند. البته مقادیر ناچیزی نمک در یخ‌ها حبس می‌شوند اما روی هم رفته این مقدار در برابر نمک موجود در آب بسیار کمتر است. درختان حرا نیز به کاهش مقادیر نمک در آب کمک می‌کنند. ریشه‌ی این درختان نمک موجود در آب را جذب می‌کنند. برخی پرندگان مانند پلیکان و پرستو غده‌ای بر روی منقارشان دارند که اجازه می‌دهد آب را ابتدا تصویه کنند و سپس بنوشند. درختان بید و نی نیز به عنوان نمک زداهای طبیعی معروف هستند. از این گیاهان برای ساخت دریاچه‌های مصنوعی نمک زدا استفاده می‌شود

0 نظر

پاسخ دهید

Want to join the discussion?
حس پشتیبانی حرفه ای!

پاسخ دهید