همه کشورهای دنیا در چند سال آینده دچار معضل کمبود آب خواهند بود. یکی از فناوری‌هایی که از گذشته مورد توجه بوده، استفاده از آبهای شور در تامین آب شیرین است. مطابق با آمار منتشر شده بیش از ۹۵% منابع آب موجود در سطح زمین به صورت آب شور است.
شیرین‌سازی آب فرایندی است که در نتیجه آن، مقدار نمک و املاح معدنی موجود در آب تا حد استاندارد کاهش می‌یابد، به طوری که برای مصارف آشامیدنی یا کشاورزی مناسب باشد. برای شیرین کردن آبهای شور و جداسازی نمک از آن روش‌های مختلفی توسعه پیدا کرده است.
کارایی ﻫﺮﮐﺪام از اﯾﻦ فرایندﻫﺎ وابسته ﺑﻪ غلظت نمک یا املاح موجود در آب اولیه و ﻫﻤﭽﻨﯿﻦ ارزش آب تولیدی است. تمامی فرایندهای شیرین سازی آب، نیاز به انرژی دارند که این انرژی می‌تواند به صورت گرمایی، مکانیکی یا الکتریکی تامین شود.
شیرین سازی آب به روش حرارتی
یکی از معمولترین روش‌های شیرین سازی آب، تقطیر با استفاده از انرژی گرمایی است. تقطیر آب بهترین روش تبدیل آبهای شور به آب شیرین است. در این دستگاه ابتدا آب با استفاده از حرارت به جوش آمده و سپس تبخیر می‌شود. در مرحله بعد با خنک کردن و چگالش آب می‌توان به آب خالص دست پیدا کرد.
فرایند ﺗﺒﺨﯿﺮ آب ﻣﯽﺗﻮاﻧﺪ به دو صورت انجام شود؛ اول، ﺑﻪ وﺳﯿﻠﻪ گرم ﮐﺮدن آب ﺷﻮر ﺗﺎ دﻣﺎی ﺟﻮش؛ دوم، ﮐﻢﮐﺮدن ﻓﺸﺎرﺑﺨﺎر آب ﺷﻮر. در اغلب موارد این روش نسبت به سایر فرایندهای غشایی کارایی بیشتری دارد و کیفیت آب تولید شده به این روش نسبت به سایر روش‌ها بالاتر است.
یکی از مهمترین چالش‌های استفاده از روش‌های حرارتی، مقدار انرژی حرارتی مصرف شده است. از آنجا که پایه‌ی اصلی این روش استفاده از انرژی حرارتی است، لذا استفاده از این فناوری زمانی بصرفه است که دسترسی به انرژی حرارتی امکان پذیر باشد. این معضل باعث شده این فناوری در کشورهایی که امکان احداث ایستگاه شیرین سازی آب در کنار نیروگاه‌های حرارتی تولید برق وجود دارد، بیشتر مورد توجه قرار گیرد.
انواع فناوری‌های حرارتی در شیرین سازی آب
روش‌های حرارتی که با نام تقطیر نیز شناخته می‌شوند، به صورت‌های مختلفی طراحی و اجرا می‌شوند. انواع روش‌های شیرین سازی به روش تقطیر را می‌توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:
- تقطیر ناگهانی چند مرحله‌ای (MSF)
- تقطیر چند مرحله‌ای (MED)
- تقطیر تراکمی بخار (VCD)
در ادامه به بررسی اجمالی انواع روش‌های حرارتی در شیرین سازی آب می‌پردازیم.
تقطیر ناگهانی چند مرحله‌ای (MSF)
تقطیر ناگهانی چندمرحله‌ای(Multi-stage flash distillation) که به اختصار MSF نامیده می‌شود، فرایندی است که در آن برای نمک‌زدایی آب دریا از چند مرحله تقطیر ناگهانی استفاده می‌کنند. اساس این مراحل تبادل گرمایی متقابل است. طبق آمار۶۰ درصد از سیستم‌های نمک‌زدایی آب در دنیا از به این صورت طراحی و ساخته شده‌اند.
در فرایند تقطیر MSF آب شور در داﺧﻞ ﻣﺤﻔﻈﻪای ﺑﻪ ﻧﺎم ﮔﺮﻣﮑﻦ، گرم می‌شود. این فرایند از طریق تبادل حرارتی بین بخار موجود در مرحله چگالش اتفاق می‌افتد. آب گرم شده به سرعت وارد یک محفظه دیگر می‌شود. ورود ناگهانی آب گرم به داخل این اطاقک باعث به جوش آمدن سریع آب می‌گردد.
شماتیک روش تقطیر ناگهانی چندمرحله‌ای
معمولا یک مجموعه آب ﺷﯿﺮﯾﻦﮐﻦ به روشMSF می‌تواﻧﺪ ۴ ﺗﺎ ۴۰ مرحله داﺷﺘﻪ ﺑﺎﺷﺪ. ﺑﺨﺎر ﺗﻮﻟﯿﺪ ﺷﺪه ازﻃﺮﯾﻖ فرایند تبخیر سریع، در اثر چگالش بر روی لوله‌های مبدل حرارتی ﺑﻪ آب شیرین تبدیل می‌گردد. اﯾﻦ دﺳﺘﮕﺎهﻫﺎ ﻋﻤﻮﻣﺎً با ظرفیت ﺣﺪود۵۰۰۰۰ ﺗﺎ۶۰۰۰۰ ﻣﺘﺮﻣﮑﻌﺐ در روز ساخته می‌شوند.
اﻓﺰاﯾﺶ ﺗﻌﺪاد ﻣﺮاﺣﻞ فرایند در روش MSF بازده حرارتی را اﻓﺰاﯾﺶ ﻣﯽدﻫﺪ که البته این موضوع باعث افزایش میزان سرمایه گذاری اولیه نیز خواهد شد. با توجه به ترکیب آب شور باقیمانده از مرحله آخر با آب ورودی، برای افزایش بازده حرارتی، احتمال تشکیل رسوب و خوردگی افزایش می‌یابد. این معضلی است که در سیستم‌های MSF مهم بوده و باید کنترل شود.
کارخانه شیرین سازی آب به روش تقطیر ناگهانی چندمرحله‌ای
تقطیر چند مرحله ای (MED)
معضل تشکیل رسوب در فرایند MSF موجب شده مهندسان روش‌های جدیدی را برای حل این معضل اختراع کنند. فرایند MED یکی از روش‌هایی است که برای حل معضل رسوب در فرایند MSF توسعه پیدا کرده است.
MED مخفف عبارت Multiple-effect distillation به معنی تقطیر چند مرحله‌ای است. فرایند اﯾﻦ دﺳﺘﮕﺎه آب ﺷﯿﺮﯾﻦﮐﻦ ﺑﺮﭘﺎﯾﻪ ﺳﯿﺴﺘﻢ ﻧﻤﮏزداﯾﯽ تقطیری ﺑﻪ روش چند مرحله ای ﺑﻪ همراه ﭼﺮﺧﺶ ﺑﺨﺎر می باشد. در ﺣﺎل حاضر ظرفیت تولید ۵% آب ﺷﯿﺮﯾﻦ درﺟﻬﺎن ﺑﻪ اﯾﻦ ﺑﻪ اﯾﻦ روش اﺧﺘﺼﺎص دارد.
اﺳﺎس ﮐﺎر واﺣﺪﻫﺎی MED بدین صورت اﺳﺖ ﮐﻪ در ابتدا ﺑﺨﺎر ﺧﺮوﺟﯽ از ﻧﯿﺮوﮔﺎهﻫﺎی ﺑﺨﺎر ﯾﺎ ﺑﺨﺎری ﮐﻪ ﺑﻪ واﺳﻄﻪ ﺳﻮزاﻧﺪن زﻏﺎل سنگ یا ﺳﻮﺧﺖﻫﺎی ﻓﺴﯿﻠﯽ بوجود آمده است، وارد اوﻟﯿﻦ مرحله فرایند می‌شود. به این بخار، بخار اولیه گفته می‌شود.
در ادامه آب شور وارد مرحله اول شده و بر روی لوله‌های حاوی بخار اولیه پاشیده می‌شود. در اثر تبادل گرمایی بین بخار اولیه و آب شور، از طرفی بخار اولیه گرمای خود را از دست داده و چگالش می‌یابد و از طرف دیگر آب شور، تبخیر شده و به مرحله بعد ارسال می‌شود. این فرایند به همین صورت می‌تواند در چندین مرحله ادامه پیدا کند.
ﺑﺪﯾﻦ ﺗﺮﺗﯿﺐ ﺑﺨﺎر ﭼﮕﺎﻟﺶ ﯾﺎﻓﺘﻪ ازمرحله دوم ﺑﻪ ﺑﻌﺪ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان آب ﺷﯿﺮﯾﻦ ﺟﻤﻊ آوری ﺷﺪه و عملیات ﺗﺼﻔﯿﻪ ﻧﻬﺎﯾﯽ (مانند رﺳﺎﻧﺪن pH آب ﺑﻪ مقدار ﻗﺎﺑﻞ ﻗﺒﻮل) بر روی آن انجام می‌شود.
تعداد مراحل طراحی در فرایند MED وابسته به دمای آب شور ورودی است. هر چه دمای آب شور ورودی بیشتر بوده و به دمای جوش آب نزدیکتر باشد، تعداد مراحل می‌تواند کمتر باشد. از طرفی هر چه تعداد مراحل افزایش یابد، نسبت آب شیرین تولیدی به بخار مصرفی، بازده حرارتی بیشتری خواهد داشت. اﻟﺒﺘﻪ باید به این نکته هم توجه داشت که افزایش تعداد مراحل باعث افزایش میزان سرمایه گذاری اولیه نیز می‌شود.
ﺷﻤﺎﺗﯿﮏ آب ﺷﯿﺮﯾﻦ ﮐﻦ به روش تقطیر چند مرحله‌ای MED
مزایای روش MED
- مصرف انرژی کمتر در مقایسه با روش‌های دیگر حرارتی؛
- کار در دمای کمتر (کمتر از ۷۰ درجه سلسیوس) و غلظت کمتر (کمتر از ۵/۱) برای جلوگیری از خوردگی و رسوب؛
- بدون نیاز به عملیات پیش تصفیه آب دریا؛
- فرایند و کارکرد کاملا ساده.
- هزینه نگهداری پایین؛
- قابلیت کار به صورت ۲۴ ساعته؛
- قابلیت انطباق با انواع منابع مختلف مثل آب داغ، سوخت فسیلی، فرایندهای تبخیر صنعتی و ….
معایب سیستم MED
- عدم تطابق با منابع با دمای بالاتر به دلیل مشکلات ناشی از رسوب گذاری در حین فرایند؛
- مشکل ساخت در مقیاس کوچک به دلیل پیچیدگی تجهیزات و زیاد بودن تعداد اجزا.
تقطیر تراکمی بخار (VCD)
روش تقطیر تراکمی بخار به روش‌هایی گفته می‌شود که در آن فرایند تبخیر آب دریا یا آب شور از طریق تبادل گرمایی با یک بخار متراکم شده، انجام می‌شود. بسته به شرایط می‌توان از این فرایند در کنار فرایندهای دیگر استفاده کرده یا به صورت مستقل مورد بهره برداری قرار گیرد. با متراکم کردن بخار، فشار و دمای آن افزایش می‌یابد. از انرژی گرمایی ذخیره شده در بخار متراکم می‌توان برای تبخیر استفاده کرد.
متراکم کردن بخار می‌تواند بوسیله سیستم‌های مکانیکی یا الکتریکی انجام شود. استفاده از سیستم‌های مکانیکی موجب توسعه روش متراکم سازی مکانیکی (mechanical vapor compression) یا به اختصار MVC شده است. روش MVC دو مدل مختلف دارد: تراکم بخار (VC) و تراکم بخار خلاء (VVC). در روش VC عملیات در فشار اتمسفری و در روش VVC تبخیر در فشار زیر اتمسفر انجام می‌شود.
فرایند تراکم در روش‌های مکانیکی بوسیله یک توربین یا کمپروسور انجام می‌شود. امروزه این فرایند یکی از فرایندهای پرکاربرد در نیروگاه‌ها و صنایع مختلف است. این فرایند یعنی تقطیر تراکمی بخار، ظرفیت کمی دارد و آب شیرین اندکی را تامین می‌کند و به صورت رایج در هتل‌ها، استراحتگاه‌ها و حتی کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
روش تقطیر تراکمی بخار MVC
انرژی مصرفی در روش‌های حرارتی
یکی از مهمترین پارامترهای مطرح در انتخاب روش‌های شیرین سازی آب مقدار مصرف انرژی است. مقدار انرژی مصرفی در انواع روش‌های تقطیر در جدول زیر آورده شده است.
جدول مقایسه انرژی مصرفی در شیرین سازی آب شور به روش حرارتی
| انرژی/روش تقطیر | MSF | MED | MVC |
|---|---|---|---|
| انرژی الکتریکی (kWh/m3) | 4-6 | 1/5-2/5 | 7-12 |
| انرژی حرارتی (kWh/m3) | 50-110 | 60-110 | – |
| انرژی الکتریکی معادل حرارتی (kWh/m3) | 9/5-19/5 | 5-8/5 | – |
| کل انرژی الکتریکی معادل (kWh/m3) | 13/5-25/5 | 6/5-11 | 7-12 |
انرژی الکتریکی معادل برابر است با مقدار انرژی الکتریکی که می‌توان با این مقدار انرژی حرارتی تولید کرد. همچنین لازم به ذکر است که در این محاسبات، انرژی لازم برای ساخت و ساز و بازسازی لوازم مصرفی در نظر گرفته نشده است.