کمبود آب شیرین در جهان موجب شده است تا بشر به دنبال راه‌های جدیدی برای تامین آب مورد نیاز خود باشد. یکی از این منابع عظیم در دنیا، آب‌های شور هستند. حدود ۹۸ درصد از آب‌های موجود بر روی کره زمین به صورت آب دریا و آب‌های لب شور هستند.
وسعت این منابع باعث شده تا بشر همواره به دنبال روش‌های مختلفی برای تبدیل آب شور به آب شیرین باشد. از جمله پارامترهایی که برای انتخاب روش شیرین سازی آب در نظر گرفته می‌شود، بازدهی و هزینه لازم برای حذف نمک از آب شور است. مقدار نمک حل شده در آب دریا و آب‌های لب شور به ترتیب ۳۵۰۰۰ و ۱۰۰۰ میلی گرم بر لیتر است.
روش‌های مختلفی برای شیرین سازی و نمک زدایی آب‌های شور استفاده می‌شود که مهمترین آن‌ها عبارتند از:
اسمز معکوس (RO)، الکترودیالیز (ED) و انواع روش‌های حرارتی مثل: تراکم بخار (VC)، تقطیر چند مرحله‌ای (MED) و تقطیر ناگهانی چند مرحله‌ای (MSF). در این میان روش‌های اسمز معکوس و تقطیر ناگهانی چند مرحله‌ای، نسبت به سایر روش‌ها، بیشتر مورد توجه بوده و حدود ۹۰% آب‌های شور دنیا با استفاده از این دو روش نمک‌زدایی می‌شوند.
با توجه به روش‌های موجود برای شیرین سازی آب، می‌توان روش‌های نمک‌زدایی را به دو روش کلی غشائی و حرارتی تقسیم کرد.
در بین روش‌های غشائی که شامل اسمز معکوس و الکترودیالیز است، ۸۶% از سیستم‌های نمک‌زدایی از نوع اسمز معکوس بوده و تنها ۱۴% آن‌ها الکترودیالیز هستند. آمارها نشان می‌دهد، در حالیکه بیش از ۷۸% سیستم‌های نمک‌زدایی در دنیا بر پایه غشائی هستند، اما میزان آب تولید شده بوسیله این روش‌ها تقریباً با هم برابر است.
یکی از روش‌هایی که در دهه اخیر توسعه پیدا کرده است، روش یون زدایی ظرفیتی است. در این روش آب حاوی یون‌های نمکی از بین دو الکترود مختلف عبور داده می‌شود و یون‌های مثبت و منفی نمک‌ها در نتیجه جذب توسط الکترودها از آب حذف شده و در نهایت آب خروجی عاری از هرگونه نمک خواهد بود.
به نسبت سایر روش‌های توسعه یافته برای نمک‌زدایی آب، روش یون زدایی یک روش جوانتری به شمار می‌آید. این روش با چالش‌هایی مواجه است که باعث شده است تا ورود این روش به بازار با چالش‌هایی روبرو باشد.
ماده الکترود
یکی از مهمترین چالش‌های این روش، نوع ماده مورد استفاده برای ساخت الکترود است. نوع ماده مورد استفاده برای الکترود میتواند ظرفیت یک واحد یون زدایی ظرفیتی را مشخص کند. هزینه ساخت یک ماده با ظرفیت مناسب بسیار بالا است. اغلب مواد مورد استفاده برای ساخت الکترود از نوع کربنی هستند. امروزه شرکت‌های مختلفی در دنیا بر روی این موضوع کار می‌کنند تا بتوانند هزینه ساخت ماده الکترود را کاهش دهند.
رسوب گذاری
رسوب گذاری یکی از بزرگترین چالش‌های پیش روی توسعه سیستم‌های اسمز معکوس است و روش یون زدایی ظرفیتی نیز دارای چنین مشکلی است. البته باید خاطر نشان کرد که روش یون زدایی ظرفیتی دارای مزایایی است که میتواند نگرانی‌های موجود درباره این چالش را به حداقل برساند.
بعنوان مثال با تغییر پتانسیل بین دو الکترود می‌توان مقدار رسوب گذاری بر سطح الکترودها را به حداقل رساند. تحقیقات نشان می‌دهد که مشکل رسوب گذاری در روش یون زدایی ظرفیتی را می‌توان با طراحی مناسب اصلاح و حداقل رساند. همچنین در مورد آب‌های لب شور مقدار رسوب گذاری به صفر می‌رسد.
همانطور که مطرح شد عامل هزینه و انرژی بعنوان دو عامل اساسی در انتخاب روش نمک زدایی مناسب حائز اهمیت هستند. در جدول زیر مقدار هزینه لازم برای سه روش اصلی نمک زدایی آب آورده شده است:
از طرف دیگر یکی از پارامترهای موثر در انتخاب هر روش میزان هزینه به ازای متر مکعب آب شیرین تولیدی است. در جدول زیر مقایسه‌ای بین مقدار هزینه و انرژی لازم برای تولید هر متر مکعب آب آورده شده است.
روش الکترودیالیز با وجود اینکه یک روش غشائی محسوب می‌شود، اما انرژی مورد نیاز برای حذف نمک در این روش از طریق اعمال ولتاژ بین دو الکترود تامین می‌شود. از این رو روش الکترودیالیز مشابه روش یون زدایی ظرفیتی است.
آمارهای موجود برای مقایسه دو پارامتر انرژی و هزینه برای روش‌های حرارتی و اسمز معکوس بسیار است اما به روش‌های الکترودیالیز و یون‌زدایی ظرفیتی بسیار کمتر توجه شده است.
در روش الکترودیالیز مقدار انرژی مصرفی برای حذف یون‌ها از محلول به صورت زیر محاسبه می‌شود:
WED = Wdeionization = Edeionization /ηd = V.Imt/ ηd
که در این رابطه W مقدار انرژی بر حسب ژول است و V ولتاژ بین دو الکترود برحسب ولت و Im مقدار جریان حداقلی مورد نیاز برای حذف یون‌ها است (بر حسب آمپر) و t زمان بر حسب ثانیه و ηd مقدار بازده نمک زدایی است.
در روش یون‌زدایی ظرفیتی مقدار انرژی لازم برای حذف یون معادل است با:
WCDI = Wdeionization −Wregeneration = Wcharge −Wdischarge
این معادله مشابه با مقدار انرژی لازم برای روش الکترودیالیز است با این تفاوت که در روش یون زدایی ظرفیتی حذف یون همزمان با ذخیره سازی انرژی در سطح الکترودها است که میتواند در سیکل برگشتی بازیابی شود. همین امر موجب شده تا روش یون زدایی ظرفیتی بعنوان یک روش بهینه از لحاظ انرژی تبدیل شود.
داده‌های مربوط به محاسبات انرژی مورد نیاز برای نمک زدایی آب‌های شور نشان می‌دهد که روش یون زدایی ظرفیتی در مقایسه با روش‌های اسمز معکوس و حرارتی یک روش مقرون به صرفه برای یون‌زدایی آب‌های لب شور است. مقدار انرژی لازم برای حذف نمک از آب‌های لب شور بوسیله روش یون زدایی ظرفیتی حدود ۳/۱ روش اسمز معکوس است.
واتک اولین شتاب دهنده حوزه تخصصی آب می باشد که تحت حمایت معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری مشغول فعالیت می باشد . جهت ثبت طرح خود یا کسب اطلاعات بیشتر به سایت واتک مراجعه کنید.
