هر چند بحران آب و خشکسالی های طولانی ناشی از گرمایش زمین در سرتاسر جهان به شکل نگران کننده ای چالش برانگیز شده اند، این بحران در ایران ابعاد پیچیده تری پیدا کرده است. بحران آب در ایران دو مؤلفه اصلی دارد که در بسیاری از شاخصهای ارزیابی بین المللی دیده نشده اند، لیکن این دو عامل با شدت هرچه تمام تر بر آتش بحران آب در ایران می دمد. مشکل نخست توزیع نامتقارن آب در کشور میباشد. به عبارت دیگر منابع آبی در ایران نامتقارن توزیع گردیده اند. مشکل دوم مصرف نامتقارن آب در بخشهای مختلف است. بر اساس آخرین ارزیابی ها بخشهای کشاورزی، صنعت و شرب به ترتیب 92، 1.5 و 6.5 درصد از کل مصرف کشور را به خود اختصاص داده اند. در حالی که توزیع مصرف در جهان به ترتیب 70، 22 و 8 درصد میباشد. لذا بدیهی است ما در بخش کشاورزی بیش از نیازهای واقعی مصرف آب داریم. این فشار مصرف در بخشهای داخلی که اتفاقاً کانونهای کشاورزی ایران میباشند، بر دوش منابع زیرزمینی است.
هر چند بحران آب و خشکسالی های طولانی ناشی از گرمایش زمین در سرتاسر جهان به شکل نگران کننده ای چالش برانگیز شده اند، این بحران در ایران ابعاد پیچیده تری پیدا کرده است. بحران آب در ایران دو مؤلفه اصلی دارد که در بسیاری از شاخص های ارزیابی بین المللی دیده نشده اند، لیکن این دو عامل با شدت هرچه تمام تر بر آتش بحران آب در ایران می دمد. مشکل نخست توزیع نامتقارن آب در کشور می باشد. مشکل دوم مصرف نامتقارن آب در بخش های مختلف است. بر اساس آخرین ارزیابی ها بخش های کشاورزی، صنعت و شرب به ترتیب 92، 1.5 و 6.5 درصد از کل مصرف کشور را به خود اختصاص داده اند. در حالی که توزیع مصرف در جهان به ترتیب 70، 22 و 8 درصد می باشد. لذا بدیهی است ما در بخش کشاورزی بیش از نیازهای واقعی مصرف آب داریم. این فشار مصرف در بخش های داخلی که اتفاقاً کانون های کشاورزی ایران می باشند، بر دوش منابع زیرزمینی است.
ضمن حفاظت و احیای منابع زیرزمینی، باید به فکر منابع جایگزین بود. از سوی دیگر صنایع ایران در راه رشد و توسعه می باشند و تا رسیدن به توازن مصرف پذیرفته شده در سطح جهانی، نیازمند خواهند بود سهم خود از منابع آبی کشور را تا حداقل 12 برابر افزایش دهند. در حالی که منابع آبی سنتی دیگر قابلیت توسعه برداشت بیشتر را نداشته و به نظر نمی رسد در بخش کشاورزی نیز شاهد کاهش مصرف باشیم. از همین رو شرکت دانش بنیان پارس آوین تراوا با سرمایه گذاری برخی از بزرگترین شرکت های معدنی و صنعتی کشور به منظور راهبرد راهکارهای مرتبط با تأمین پایدار آب تأسیس گردیده است. این راهکارها در حال حاضر عمدتاً بر استفاده از شیرین سازی و انتقال آب از نوار ساحلی جنوبی کشور به کانون های مصارف صنعتی در بخش های مرکزی متمرکز است. بطورکلی، تکنولوژی های نمک زدایی به دودسته حرارتی، مانندMED, MVC, MSF ، و فیلتراسیون تقسیم میشوند.
MSF (Multi- Stage Flash Distillation) تقطیر ناگهانی چندمرحله‌ای و MED (Multiple – Effect Distillation) تقطیر چند مرحله ای می باشند. MED مانندMSF در یک سری از مراحل متوالی و با بکارگیری اصول تبخیر و میعان در فشار های کاهش یافته انجام میگیرد. اما مهترین اختلاف اساسی این دو روش، نحوه انتقال حرارت و روش تبخیر می باشد. در واحد MED تبخیر بر اثر تماس بین آب شور با سطح مبدل در ابتدا رخ میدهد. در حالی که در واحد MSF حرارت دهی آب شور تنها با مکانیسم جابجایی در داخل لوله ها انجام میگیرد و تبخیر بر اثر flash در جریان تغلیظ شده در هر مرحله منجر به تولید بخار می شود. در MSF جریان آب ورودی داخل لوله ها نقش کندانسور دارد در حالی که برای MED آب ورودی به هر مرحله اسپری شده و با تشکیل بخار بعنوان منبع حرارت در مرحله بعدی استفاده میشود.
(Thermal Vapor Compression) TVC وMVC (Mechanical Vapor Compression) فرآیند تراکم بخار به روش حرارتی و مکانیکی بر اساس کاهش دمای جوش از طریق کاهش فشار میباشد. اما در این روش بجای سیستم مبدل حرارتی مستقیم حاصل از بخار تولیدی، حرارت لازم برای تبخیر از طریق تراکم بخار تامین میگردد. این تراکم می تواند به روش مکانیکی یا حرارتی باشد. بطوریکه بخار متراکم به عنوان منبع حرارتی برای تبخیر بیشتر جریان آب خوراک استفاده می شود.
شکل زیر میزان مشارکت تکنولوژیهای نمک زدایی در واحدهای نصب شده در کل جهان و در حال حاضر را نشان می دهد. بیشترین تکنولوژی حرارتی که بصورت تجاری استفاده شده، MSF می باشد و سهم آن حدود 18% از کل واحدهای آب شیرین کن تجاری موجود می باشد. از آنجایی که MSF بسیار آسان مدیریت می شود و دوره عملیات طولانی مدتی دارد، در واحدهای وسیع و بزرگ تجاری استفاده می شود.
تکنولوژی غشائی یک فرآیند بدون تغییر فاز می باشد. این تکنولوژی شامل MF, NF, UF, MBs, MD, ED, FO , RO می باشد. سیستم های MF و UF به صورت مستقیم برای نمک زدایی استفاده نمی شوند ولی از آنها به عنوان واحدهای پیش تصفیه در سالهای اخیر به صورت گسترده تری استفاده میشود. همچنین NF برای پیش تصفیه استفاده می شود و دارای قابلیت جداسازی بهتری از MF و UF می باشد. ED در تصفیه، یونها را از داخل غشاء تبادل یونی به سمت الکترود با بار مخالف توسط نیرو محرکه انرژی الکتریکی هدایت می کند. کاربرد ED در نمک زدایی محلول هایی با رنج بسیار پایین نمک مناسب است.
| Membrane Technology | Thermal Technology | |||||
| RO | ED | TVC | MVC | MED | MSF | |
| آب دریا ، آب شور | آب شور | آب دریا ، آب شور | آب دریا ، آب شور | آب دریا ، آب شور | آب دریا ، آب شور | نوع آب |
| دمای محیط | دمای محیط | 63-70 | 70-100 | 70 | 90-110 | دمای عملکرد (C°) |
| 24000 | 2-145000 | 10000-30000 | 100-3000 | 5000-15000 | 50000-70000 | ظرفیت رایج واحد (m3/day) |
| 5-9 | 2.6-5.5 | 1.8-1.6 | 7-12 | 1.5-2.5 | 4-6 | مصرف انرژی الکتریکی (kWh/m3) |
| ——– | ——– | 145-390 | ——– | 230-390 | 190-390 | مصرف انرژِی گرمایی (kJ/kg) |
| ———– | ———– | 9.5-25.5 | ——— | 5-8.5 | 9.5-19.5 | انرژی الکتریکی معادل انرژی گرمایی (kWh/m3) |
| 5-9 | 2.6-5.5 | 11-28 | 7-12 | 6.5-11 | 13.5-25.5 | انرژی کل معادل الکتریکی (kWh/m3) |
| 500> | 150-500 | 10 | 10 | 10 | 10 | کیفیت محصول TDS (ppm) |
| 0.52-0.56 | 0.6-1.05 | 0.827 | 2-2.6 | 0.52-1.01 | 0.52-1.75 | قیمت محصول واحد (m3/$) |
از میان تمامی این تکنولوژی های نام برده، RO, MSF, MED بیشترین میزان کاربرد را دارند. میزان مصرف انرژی در تکنولوژی غشائی نسبتا پایین تر می باشد. اما میزان هزینه محصول RO نزدیک به هزینه محصول تکنولوژی های حرارتی می باشند زیرا هزینه های عملیاتی و تعمیرات بالاتری دارد. بمنظور کاهش انرژی کل لازم است که ویژگیهای غشاء بهبود یابند و یا بازیافت انرژی افزایش یابد.
به طور کلی سه دسته استراتژی برای بهینه سازی و ارتقا عملکرد RO وجود دارد:
- پیش تصفیه آب خوراک RO : فیلتراسیون جامدهای محلول و معلق در آب ورودی
- استفاده از تکنولوژی های نوین و پیشرفته ساخت غشاء: تکنولوژی های جدید موجود به صورت تجاری میزان مساحت سطح غشاء و تراوایی را افزایش و میزان مصرف انرژی و آب را کاهش می دهند.
- آرایش و ترتیب جریان: سیستم های RO می توانند طوری طراحی شوند که آب بصورت بهینه در داخل سیستم سیرکوله شود و در نتیجه میزان مصرف آب کاهش یابد.
علاوه بر استراتژی های اشاره شده، تعدادی تکنولوژی پیشرفته غشائی برای سیستم RO در راستای بهینه کردن آن برای کاربردهای خاص وجود دارد. این پیشرفت ها شامل مساحت سطح بالاتر، تراوایی بالاتر، المنتهای مارپیچی با قطر بزرگتر و غشاء هایی با پتانسیل گرفتگی پایین تر، می باشند. این خصوصیات و امکانات جدید در صورت طراحی، پیاده سازی و اجرای صحیح می توانند میزان مصرف انرژی را کاهش و نرخ بازیافت آب در سیستم را افزایش دهند.
- مساحت سطح فعال بزرگتر: غشاءهای مارپیچی با مساحت سطح بالاتر نیاز به افزایش اندازه فیزیکی المنت ندارند. در المنت های تجاری موجود با افزایش سطح از 320 به 440ft2 ، میزان تولید آب با تعداد یکسانی از پرشر وسل به 38% افزایش مییابد.
- تراوایی بالاتر: برای افزایش تراوایی از حضور نانوذرات در TFC استفاده می کنند. نانوذرات محبوس در غشاء های رایج RO میتوانند ساختار لایه نازک را تغییر دهند. در نتیجه آب بیشتری از آن عبور میکند در حالی که جداسازی نمک بالاتر است. این نوع غشاءها در فشار پایین تر کار می کنند و بنابراین میزان انرژی کمتری برای فلاکس جریان بالاتر و نرخ بازیافت بالاتر، نیاز دارند. در حالیکه هزینه ساخت این غشاء ها اندکی از غشاء های متداول بالاتر می باشند ولی تراوایی بالاتر میتواند هزینه های عملیاتی را به علت ذخیره انرژی و آب مصرفی پایین تر، کاهش دهد.
- گرفتگی بیولوژیکی پایین تر: فاصله دهنده خوراک مسئول نگهداری و حفظ کانالهای جریان آب بین دو طرف غشاء و TFC ها در المنت های مارپیچی می باشد. اگر آب خوراک حاوی مواد جامد معلق بسیاری باشد، فاصله دهنده خوراک به راحتی می تواند دچار گرفتگی شود و میزان جریان به شدت کاهش یابد. در حالی که فاصله دهنده خوراک با تمایل پایین به گرفتگی بیولوژیکی، دارای کانال های باز با سطح مقطع بزرگتری نسبت به سایر فاصله دهنده های معمولی هستند. در نتیجه میزان افت فشار در ماژول و همچنین پتانسیل گرفتگی کاهش می یابند.