زندگی انسان همواره به آب وابسته است. با افزایش جمعیت و گسترش شهرها در مناطق کویری، این وابستگی رو به افزایش است. 71 درصد از سیارۀ ما را آب تشکیل داده؛ درحالی که از این مقدار، تنها 5/2 درصد آن آب آشامیدنی است و از این میزان فقط 3/31 درصد آن در دسترس است. برای حل مشکل کم آبی، بشر دست به ساخت آب‌شیرین‌کن زد تا آب شور دریا را تصفیه و برای مصارف کشاورزی و خانگی استفاده کند.
آب‌شیرین‌کن‌ها از چهار بخش آبگیر، پیش تصفیه، تصفیه‌خانه و تخلیه پساب تشکیل شده‌اند. امروزه از سه فرآیند اسمز معکوس (Reverse Osmosis)، الکترودیالیز (Electrodialysis) و تقطیر ناگهانی چند مرحله‌ای (Multi Stage Flash Distillation) برای شیرین‌سازی آب استفاده می‌شود. هر سه فرآیند مزایا و معایب مخصوص خود را دارند، اما اسمز معکوس اقتصادی‌تر از دو روش دیگر بوده و فرآیند راه‌اندازی ساده‌تری نسبت به روش تقطیر ناگهانی دارد.
اسمز معکوس(Reverse Osmosis)
در اسمز معمولی، مایع همواره از سمت رقیق‌تر به سمت غلیظ‌تر حرکت می‌کند، اما در اسمز معکوس با اعمال فشار هیدرواستاتیک، فرآیند به شکل عکس انجام می‌شود. اسمز معکوس رایج‌ترین روش در تصفیه آب است. از مزایای این روش می‌توان به پایین‌تر بودن هزینه راه‌اندازی نسبت به سایر روش‌ها، تصفیه کامل آب و بالا بودن کیفیت آب خروجی اشاره کرد.
تقطیر ناگهانی چند مرحله‌ای(Multi Stage Flash Distillation)
روشMSF یا ﺗﻘﻄﯿﺮ ﭼﻨﺪ ﻣﺮﺣﻠﻪای برای نمک زدایی حرارتی آب دریا استفاده می شود. این مراحل براساس تبادل گرمایی انجام می‌گیرد. اﺳﺎس ﮐﺎر این فرآیند ﺑﺮ ﭘﺎﯾﻪ ﺗﺒﺨﯿﺮ آب درﯾﺎ و ﺳﺮد ﮐﺮدن ﺑﺨﺎر ﺧﺎﻟﺺ ﻣﯽﺑﺎﺷﺪ، ﻟﺬا در گروه روشﻫﺎی ﮔﺮﻣﺎﯾﯽ قرار می‌گیرد. امروزه حدود 50% از سیستم‌های نمک زدایی حرارتی در دنیا به این روش طراحی و ساخته می‌شوند. در ﺣﺎل ﺣﺎﺿﺮ ﺑﺰرﮔﺘﺮﯾﻦ واﺣﺪ MSF جهان ﺑﺎ ﺗﻮﻟﯿﺪ ﺑﯿﺶ از 600 ﻫﺰار ﻣﺘﺮ ﻣﮑﻌﺐ آب ﺷﯿﺮﯾﻦ در روز در ﻋﺮﺑﺴﺘﺎن قرار دارد.
در روش تقطیر MSF ، آب شور در داخل محفظه‌ای به نام گرمکن، گرم می‌شود. اﯾﻦ ﮐﺎر ﻋﻤﺪﺗﺎً از ﻃﺮﯾﻖ ﭼﮕﺎﻟﯿﺪه ﺷﺪن ﺑﺨﺎر روی ﺗﻌﺪادی ﻟﻮلۀ ﻣﻮازی ﮐﻪ در داﺧﻞ ﻣﺤﻔﻈﻪای ﻋﺒﻮر ﮐﺮده و در ﻋﯿﻦ ﺣﺎل آب شور درﯾﺎ را ﮔﺮم میﮐﻨﻨﺪ، اﻧﺠﺎم ﻣﯽﺷﻮد. سپس آب شور گرم‌شده به سرعت وارد یک محفظه دیگر (اواپراتور) که فشار خلاء آن تنظیم شده می‌شود و در نتیجه بلافاصله به جوش می‌آید. در واﻗﻊ آب ﺑﻪ ﺻﻮرت اﻧﻔﺠﺎری ﯾﺎ ﻓﻼﺷﯿﻨﮓ ﺑﻪ ﺑﺨﺎر ﺗﺒﺪﯾﻞ میﮔﺮدد (تزریق ناگهانی آب گرم به داخل اتاقک باعث به جوش آمدن سریع آن می‌گردد).
ﺗﺒﺪﯾﻞ آب گرم شده به بخار، ﺑﻪ ﻓﺸﺎر ﮐﻨﺘﺮل ﺷﺪه در اﯾﻦ ﻣﺮﺣﻠﻪ ﺑﺴﺘﮕﯽ دارد. ﻓﺮآﯾﻨﺪ ﺟﻮﺷﺶ ﺗﺎ زﻣﺎﻧﯽ اداﻣﻪ ﻣﯽﯾﺎﺑﺪ ﮐﻪ آب سرد شود. در اﯾﻦ روش می‌توان آب خوراک سرد شده را از ﯾﮏ ﻣﺮﺣﻠﻪ ﺑﻪ ﻣﺮﺣﻠﻪ دﯾﮕﺮ هدایت کرد و با تنظیم فشار به‌طور ﻣﮑﺮر و ﺑﺪون اﻓﺰودن ﺣﺮارت ﺑﻪ ﺣﺎﻟﺖ ﺟﻮش رساند.
بخار ﺗﻮﻟﯿﺪ ﺷﺪه از ﻃﺮﯾﻖ ﻓﺮآﯾﻨﺪ ﻓﻼش ﭘﺲ از ﭼﮕﺎﻟﯿﺪن روی ﻟﻮﻟﻪﻫﺎی ﻣﺒﺪل ﺣﺮارﺗﯽ ﮐﻪ درﻃﻮل ﻫﺮ ﻣﺮﺣﻠﻪ ﺗﻌﺒﯿﻪ ﺷﺪه‌اﻧﺪ، ﺑﻪ آب ﺷﯿﺮﯾﻦ ﺗﺒﺪﯾﻞ ﻣﯽﮔﺮدد. ﻟﻮﻟﻪﻫﺎ ﺑﻪ وﺳﯿﻠﻪ آب ﺗﻐﺬﯾﻪ ورودی ﮐﻪ ﺑﻪ ﮔﺮمﮐﻦ آب ﺷﻮر ﻣﯽرود ﺧﻨﮏ ﻣﯽﺷﻮد. ﺑﺎ اﯾﻦ ﮐﺎر آب ﺗﻐﺬﯾﻪ ﺑﻪ ﻧﻮبۀ ﺧﻮد ﮔﺮم ﻣﯽﺷﻮد، ﺑﻪ ﻧﺤﻮی ﮐﻪ ﻣﻘﺪار اﻧﺮژی ﺣﺮارﺗﯽ ﻣﻮرد ﻧﯿﺎز درﮔﺮﻣﮑﻦ آب ﺷﻮر ﺟﻬﺖ اﻓﺰاﯾﺶ دﻣﺎی آب درﯾﺎ ﮐﺎﻫﺶ ﻣﯽﯾﺎبد.
به‌طور معمول مجموعه آب شیرین‌کن‌ها به روش تقطیر ناگهانی چند مرحله‌ای، 4تا 40 مرحله دارند. افزایش تعداد مراحل فرآیند در روش MSF موجب افزایش بازده حرارتی می‌گردد. در این روش احتمال تشکیل رسوب و خوردگی بسیار زیاد است. این رسوبات با توجه به ترکیب آب شور باقی‌مانده از مرحله آخر با آب ورودی ایجاد می‌شود. این معضل در سیستم‌های MSF رایج بوده و باید کنترل شود.
جهت بالا بردن رﯾﮑﺎوري (ﻧﺴﺒﺖ ﺗﻮﻟﯿﺪ آب ﺷﯿﺮﯾﻦ ﺑﻪ ﭘﺴﺎب) ﻣﻘﺪاري از آب ﭘﺴﺎب (Brine)با آب، ﻫﻮازدایی و ﻣﺨﻠﻮط ﺷﺪه سپس ﺗﻮﺳﻂ ﭘﻤﭗ ﮔﺮدش آب (Circulation) از ﻃﺮﯾﻖ ﻟﻮﻟﻪ و ﯾﺎ ﻟﻮﻟﻪﻫﺎﯾﯽ ﺑﺎ ﻋﺒﻮر از ﺗﮏ ﺗﮏ مرحلهﻫﺎ ﺑﻪﺻﻮرت ﻣﻌﮑﻮس (از ﺳﻤﺖ مرحله آﺧﺮ ﺑﻪ ﻃﺮف مرحله اول) ﺑﻪ ﻣﺒﺪل ﺣﺮارﺗﯽ وارد ﻣﯽ ﺷﻮد. از ﻃﺮف دﯾﮕﺮ ﺑﺨﺎر ﺑﺎ ﻓﺸﺎر ﻣﺘﻮﺳﻂ و دﻣﺎی ﺑﺎﻻ وارد ﻣﺒﺪل ﺣﺮارﺗﯽ ﺷﺪه و دﻣﺎی آب را ﺗﺎ ﺣﺪود 120 درﺟﻪ ﺳﺎﻧﺘﯽ ﮔﺮاد ﺑﺎﻻ ﻣﯽﺑﺮد. ﯾﮑﯽ از ﻋﻮاﻣﻠﯽ ﮐﻪ ﺑﺮ روی راﻧﺪﻣﺎن ﺣﺮارﺗﯽ واﺣﺪ ﺗﺎﺛﯿﺮ دارد، اﺧﺘﻼف دما بین ﮔﺮﻣﮑﻦ آب ﺷﻮر ﺗﺎ ﭼﮕﺎﻟﻨﺪه دراﻧﺘﻬﺎي ﺳﺮد دﺳﺘﮕﺎه اﺳﺖ.
الکترودیالیز(Electrodialysis)
سیستم دستگاه‌های الکترودیالیز از چند جزء اصلی شامل غشا یا ممبران‌های آنیونی و کاتیونی و کاتد و آند تشکیل می‌شود. الکترودهای مورد استفاده از جنس تیتانیوم با روکش پالادیوم هستند که با اتصال به جریان الکتریکی در فضای داخلی، یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کنند. این میدان الکتریکی یون‌های مثبت را به الکترود کاتیونی و یون‌های منفی را به الکترودهای آنیونی جذب می‌کند. در زمان حرکت یون‌های منفی به سمت الکترودهای آنیونی، غشاهای کاتدی مانع از عبور یون‌ها شده و برای یون‌ها با بار مثبت نیز رفتاری مشابه به آن رخ می‌دهد. در نتیجه حجم بالایی از یون‌های مثبت و منفی امکان عبور از غشاها را پیدا نمی‌کنند و آب خروجی بدون املاح و شیرین می‌گردد.
این روش به پیش‌تصفیه کامل‌تری نسبت به سایر روش‌ها نیاز دارد. سیستم‌های این مدل به راحتی و در زمان کوتاه راه‌اندازی می‌شوند، اما یک عیب بسیار بزرگ دارند؛ اینکه هر 2 تا 4 ساعت الکترودها باید تعویض شوند. به همین دلیل برای نواحی‌ای که سختی آب بالایی دارند(مانند خلیج فارس) به هیچ عنوان مناسب نیستند چرا که هزینه تعویض الکترود سرسام‌آور خواهد شد. علاوه بر آن، مصرف انرژی این روش نیز بسیار بالا است و برای تولید آب شیرین به صورت انبوه مناسب نمی‌باشد. همچنین در این سیستم‌ها باید مقدار املاح موجود در آب مانند سولفات، باریم، منگنز و ... به طور مداوم بررسی شوند.
یکی دیگر از نکات مهم در طراحی آب‌شیرین‌کن‌ها، نوع سیستم برداشت آب است. آب ورودی به آب‌شیرین‌کن همواره باید از کیفیت مناسب برخوردار باشد. علاوه بر آن، روش آبگیری نحوه پیش تصفیه را مشخص می‌کند. پارامترهای متعددی از جمله کدورت، باکتری‌ها و شکوفایی جلبکی به نوع آبگیری وابسته هستند؛ از این‌رو، روش آبگیری حائز اهمیت بالایی خواهد بود. رایج‌ترین روش‌های آبگیری شامل آبگیرهای زیرسطحی و آبگیرهای زیرزمینی هستند.
آبگیرهای زیرزمینی
در این روش با استفاده از لوله‌ای بلند که در اعماق خاک ساحل فرو رفته، آب شور را از سفره‌های زیرزمینی استخراج و به تصفیه‌خانه منتقل می‌کنند. این نوع آبگیری از نظر کدورت آب شور و فعالیت باکتریایی نسبت به روش آبگیری سطحی برتری دارد. علاوه بر این، خطر گیر افتادن موجودات آبزی در آبگیرهای زیرزمینی بسیار کمتر از آبگیرهای سطحی است. آب استخراج شده در این روش دارای اکسیژن کمتری نسبت به آب سطح است؛ لذا حتما باید قبل از تخلیۀ شورابه به آن اکسیژن اضافه کرد تا آثار مخرب زیست محیطی به دنبال نداشته باشد.
آبگیرهای سطحی
لوله‌های آبگیری این روش معمولاً با فاصله از ساحل احداث می‌شوند. برای دور نگه داشتن آبزیان از ورودی لوله، چندین مجرای باریک در اطراف آن تعبیه شده که هوا را با فشار به هر مانعی که مقابل ورودی قرار می‌گیرد، اسپری می‌کنند. همچنین برای جلوگیری از جلبک زدن و رشد ارگانیسم‌های آبزی بر روی دیواره لوله، به آب داخل آن کلر تزریق می‌کنند. چنین آبگیرهایی معمولاً به یک حوضچه بتنی مجهز به آشغالگیرهای میله‌ای درشت، آشغالگیرهای کوچک و ایستگاه پمپاژ منتهی می‌شوند. آبگیرهای سطحی دور از ساحل، متداول‌ترین نوع آبگیر برای آب‌شیرین‌کن‌ها هستند.
سکل(8): نمونه‌ای از آبگیر سطحی
