تبدیل آب شور دریا به آب آشامیدنی بدون اثرات منفی زیست محیطی

آب و انرژی از جمله ملزومات زندگی بشر هستند که به دلیل رشد سریع صنعت و جمعیت با چالش‌های کاهش عرضه و افزایش تقاضا مواجه‌ شده اند.
در شرایطی که دو سوم جمعیت جهان به دلیل تغییرات آب و هوایی در معرض خطر کمبود آب قرار دارند، نمک زدایی آب دریا به یک جایگزین اجتناب‌ناپذیر برای تامین آب جهت مصارف خانگی، آبیاری، توسعه صنعتی و غیره تبدیل شده است.
طبق مطالعات، میزان وابستگی جهانی به نمک‌زدایی حدود ۱ درصد در سال۲۰۲۰ بوده و پیش‌بینی می‌شود که این میزان بر اثر تغییرات اقلیمی در سال ۲۰۵۰ به ۱۰ درصد برسد. اما، همانطور که در این گزارش بدان اشاره شده است، روش جداسازی آب شیرین از اقیانوس‌ها و دریاها با دشواری‌های زیادی اعم از مقرون به صرفه‌نبودن و اثرات سوء زیست‌محیطی همراه است.
رایج‌ترین روش نمک‌زدایی آب دریا، «اسمز معکوس» است که سهم ۶۵ درصدی در فناوری‌های مشابه در جهان را دارد اما به فراخور توسعه این فناوری به مرور پیامدهای مخرب زیست‌محیطی آن نیز روشن شد.

۴۵ درصد از تولید جهانی آب شیرین‌کن‌ها در کشورهای حوزه خلیج فارس متمرکز شده و از اینرو منطقه مذکور میزبان بزرگترین مجتمع‌های آب شیرین‌کن در جهان قلمداد می‌شودبه زبان ساده، در فرآیند شیرین‌سازی آب دریا به روش اسمز معکوس با دو نوع خروجی مواجه هستیم. قسمت نخست آب تصفیه شده قابل شرب و بخش دوم، آب حاوی غلظت بالای نمک است که مجدد به دریا باز می‌گردد. قسمت دوم فناوری اسمز معکوس را با چالش مواجه کرده است، زیرا تبعات زیست‌محیطی آن حیات دریا را با خطر مواجه می‌کند.
مطالعات انجام شده در این زمینه نشان می‌دهد، به ازای تولید یک لیتر آب شیرین ۱.۵ لیتر آب شور با غلظتی حدود دو برابر غلظت آب دریا، مجدد به دریا باز می‌گردد. در مجموع اثرات مختلف زیست‌محیطی فرآیند نمک‌زدایی مواردی مانند تخلیه آب نمک، انتشار گازهای گلخانه‌ای، انتشار مواد شیمیایی سمی و مصرف بالای انرژی هستند. در واقع، تخلیه آب نمک و مصرف بالای انرژی مهم‌ترین و قابل توجه‌ترین پیامدهای شیرین‌سازی آب دریا است.
علاوه بر این حتی فیلترهای این دستگاه‌ها نیز بعد از مدتی به دلیل فشار بالای آب و رسوب غیرقابل استفاده می‌شوند که مشکل زیست‌محیطی دیگری است. با وجود چنین مخاطراتی، همچنان روش مذکور برای کشورهای حاشیه دریاها و آبهای آزاد که با چالش خشکسالی و کم آبی مواجه هستند فناوری مورد توجهی است. ۴۵ درصد از تولید جهانی آب شیرین‌کن‌ها در کشورهای حوزه خلیج فارس متمرکز شده و از اینرو منطقه مذکور میزبان بزرگترین مجتمع‌های آب شیرین‌کن در جهان قلمداد می‌شود.
این حجم و تعداد از مجتمع‌های آب شیرین‌کن در حوزه آبریز خلیج فارس و دریای عمان تهدیدات جدی نیز برای اکوسیستم دریایی منطقه داشته و ممکن است فرآیندهای دینامیکی و ترمودینامیکی را نیز تحت تأثیر قرار دهد.

اکنون تامین آب آشامیدنی مقرون به صرفه و تصفیه پساب با استفاده از فناورهای نوین و ترکیبی با کمترین آسیب به محیط‌زیست و اکوسیستم طبیعی از مهم‌ترین دغدغه‌های دانشمندان است در هر حال، اکنون تامین آب آشامیدنی مقرون به صرفه و تصفیه پساب با استفاده از فناورهای نوین و ترکیبی با کمترین آسیب به محیط‌زیست و اکوسیستم طبیعی از مهم‌ترین دغدغه‌های دانشمندان است.
پژوهش و بررسی‌های متعدد در این زمینه در حال انجام است و خوشبختانه، یکی از پژوهش‌های موفق در این حوزه توسط یک محقق ایرانی صورت گرفته که نتایج قابل توجهی نیز به دنبال داشته است.
«طاهره جعفری»، استادیار دانشکده علوم دریایی دانشگاه ملی عمان، با بیش از ۱۲ سال کار تحقیق و تدریس در رشته مهندسی شیمی، نوآوری‌های منحصر به فردی در حوزه فناوری مربوطه داشته است.
این محقق، برنده جایزه «زنان نوآور و مخترع خاورمیانه ۲۰۲۳»، جایزه ملی تحقیقات عمان در سال‌های ۲۰۲۰، ۲۰۲۱ ، ۲۰۲۲ و بیش از ۲۰ جایزه تحقیقاتی در سطوح دانشگاهی، ملی و منطقه‌ای به عنوان سرپرست تیم تحقیقاتی بوده است.
یکی از پژوهش‌های وی توسعه یک فناوری جدید شیرین‌سازی آب دریا برای کاهش اثرات زیست‌محیطی فرآیندهای کنونی شیرین‌سازی آب دریاست. گزارش پیش‌رو حاصل گفت وگوی پژوهشگر ایرنا با دکتر جعفری است که مشروح آن را باهم می‌خوانیم.

ایرنا: ضمن معرفی خودتان توضیح دهید،پژوهش شما چه بوده و چه اثری در رفع کمبود آب خواهد داشت؟

جعفری: من فارغ‌التحصیل کارشناسی ارشد در رشته مهندسی شیمی پیشرفته در دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل بوده و برنامه توسعه کاتالیزورهای سازگار با محیط‌زیست برای تولید هیدروژن سبز به عنوان یک حامل انرژی در سیستم‌های الکتروشیمیایی در مقطع دکتری را در «دانشگاه ملی مالزی» (National University of Malaysia) و دوره فوق دکتری، برای توسعه سیستم‌های بیوالکتروشیمیایی با هدف ترکیبی نمک‌زدایی و تولید محصولات با ارزش افزوده به عمان و دانشگاه سلطان قابوس (Sultan Qaboos University) ادامه دادم.
به دلیل نیاز عمان به آب شرب و وجود آب دریا به عنوان بزرگ‌ترین منبع موجود آبی، توسعه شیوه‌های نوین نمک‌زدایی از آب دریا از اهمیت بسزایی برخودار است. به خصوص از آن‌جا ‌که فرآیندهای نمک‌زدایی در حال استفاده، به دلیل بازگشت آب با درصد زیاد نمک به دریا تاثیرات مخرب زیست‌محیطی بالایی به همراه دارد از این رو به دنبال یافتن راه‌حل‌هایی کارآمد، پایدار و سازگار با محیط‌زیست نه تنها برای کاهش این اثرات، بلکه برای بازیابی محصولات با ارزش افزوده از جریان‌های پساب بودیم.
علاوه بر این، قبل از ورود به عمان به مدت ۶ سال در مالزی مدیر یک پروژه تحقیقاتی زیست‌محیطی بودم که در این پروژه، هدف تبدیل گازهای آلاینده صنایع به اتانول برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای بود.

ایرنا: روش‌های معمول نمک‌زدایی چگونه کار می‌کنند؟

فن‌آوری‌های نمک‌زدایی متعددی از جمله تقطیر فلش چند مرحله‌ای، تقطیر چند اثره، تقطیر غشایی و اسمز معکوس وجود دارند. در حال حاضر، اسمز معکوس به دلیل مصرف انرژی نسبتا پایین (۴-۵ کیلووات ساعت بر متر مکعب) در مقایسه با سایر فناوری‌های ذکر شده (۷-۱۸ کیلووات ساعت بر مترمکعب) رایج‌ترین فناوری نمک‌زدایی است.
در این روش فیلتر کردن آب از طریق یک غشا با ایجاد فشار لازم به مولکول‌های آب اجازه می‌دهد تا از داخل آن عبور کنند و در عین حال نمک و سایر ناخالصی‌ها را مسدود کند. با این حال، چالش‌های قابل توجهی در ارتباط با روش اسمز معکوس وجود دارد.
با وجود مصرف انرژی کمتر نسبت به بقیه فناوری‌های موجود، اولا این فرآیند به دلیل نیاز به فشارعملیاتی بالا همچنان به مقادیر قابل توجهی انرژی نیاز دارد.
ثانیا محصول جانبی آن آب نمک با شوری بالا است که معمولاً به دریا تخلیه شده و در نتیجه به حیات دریایی آسیب جدی میزند. ثالثا از آنجایی که منبع انرژی اولیه برای این فناوری‌ها سوخت‌های فسیلی است، آنها مقدار قابل توجهی گازهای گلخانه‌ای منتشر می‌کنند که چالش مهم تغییرات اقلیمی را تشدید می‌کند.

فناوری سلول نمک‌زدایی میکروبی فرآیند جدیدی است که از طریق فعالیت میکروارگانیسم‌ها برای تولید برق از فاضلاب و استفاده از آن برای نمک‌زدایی از طریق یک رویکرد سازگار با محیط زیست استفاده می‌کند

ایرنا: وجه تمایز کار شما با روش‌های متداول در چیست؟

تصمیم گرفتیم تا بر روی یک فناوری‌ نوظهور چند منظوره کار کنیم که هم انرژی کمتری مصرف کرده و مقرون ‌به‌صرفه باشد و هم خروجی آن آبی باشد که وقتی به دریا باز می‌گردد تقریبا با شرایط دریا یکسان بوده و کمترین اثر مضر را برای اکوسیستم دریایی داشته باشد.
علاوه براین، فناوری که ما روی آن کار کردیم می‌تواند درکشورهای کم درآمد و ساکنان مناطق روستاییِ بدون زیرساخت انرژی کمک کند تا ضمن تصفیه فاضلاب خود، به آب شیرین‌شده دسترسی داشته باشند.
فناوری سلول نمک‌زدایی میکروبی فرآیند جدیدی است که زیرگروه فناوری جامعی به نام سیستم‌های بیوالکتروشیمیایی قرار می‌گیرد و از طریق فعالیت میکروارگانیسم‌ها برای تولید برق از فاضلاب و استفاده از آن برای نمک‌زدایی از طریق یک رویکرد سازگار با محیط‌زیست استفاده می‌کند.
این میکروارگانیسم‌ها تهدیدی برای انسان نیستند. این فناوری امکان تصفیه همزمان فاضلاب، تولید برق و نمک زدایی را فراهم می‌کند. سلول نمک‌زدایی میکروبی از سه محفظه آنُدی، نمک زدایی و محفظه کاتُدی تشکیل شده است که در شکل نشان داده شده است.

محفظه نمک‌زدایی در وسط سیستم قرار دارد که توسط یک غشای تبادل آنیونی از آند و توسط یک غشای تبادل کاتیونی از کاتد جدا می‌شود. اصولاً مکانیسم نمک‌زدایی میکروبی به الکتریسیته تولید شده توسط میکروارگانیسم‌ها (اگزوالکتروژن‌ها) وابسته است.
اگزوالکتروژن‌ها مواد آلی موجود در فاضلاب را تجزیه کرده و الکترون‌های تولید شده را برای دریافت انرژی به آند منتقل می‌کنند. اکسیداسیون مواد آلی در آند منجر به تولید الکترون، پروتون و دی اکسیدکربن می‌شود. الکترون‌ها از طریق یک مدار خارجی به کاتد جریان می‌یابند که منجر به تولید بیوالکتریسیته می‌شود. کاهش الکترون‌های کاتد هم باعث ایجاد گرادیان پتانسیل در دو الکترود می‌شود. برای حفظ الکتریسیته خنثی، آنیون‌های موجود در محفظه نمک‌زدایی در سراسر غشای تبادل آنیونی به سمت آند حرکت می‌کنند و کاتیون‌ها در سراسر غشای تبادل کاتیونی به سمت کاتد حرکت می‌کنند و محلول نمک موجود در محفظه وسط را نمک‌زدایی می‌کنند.

این فناوری نه تنها نیازی به انرژی خارجی ندارد، بلکه فاضلاب را به‌طور همزمان تصفیه می‌کند. علاوه بر این، محصولات با ارزش افزوده مختلف مثل اسید و باز را می‌توان از آب دریا بازیابی کرد. با وجود طیف گسترده‌ای از مزایای مرتبط با فناوری سلول نمک‌زدایی میکروبی، عملکرد پایین آن، عدم تعادل pH و مقاومت داخلی بالا همچنان آن را در مقیاس آزمایشگاهی نگه داشته است. پروژه‌ای که ما در «دانشگاه سلطان قابوس» شروع کردیم، راه‌اندازی اولین آزمایشگاه تخصصی تصفیه فاضلاب و نمک‌زدایی براساس این فناوری چند منظوره بود. در این پروژه برای دست یابی به بهینه‌ترین پیکربندی، ما بیش از ۲۰ راکتور با پیکربندی متفاوت طراحی و در شرایط مختلف آزمایش کردیم. در نهایت با پیکربندی منحصربه‌فرد و جدید پنج محفظه‌ای، با موفقیت توانستیم آب دریا را در سیستم با تولید انرژی بالا، راندمان بالای نمک‌زدایی و مقاومت داخلی کم، نمک‌زدایی کنیم.

گذشته از این، یک سیستم نظارت و کنترل بهنگام مبتنی بر اینترنت اشیا ( IOT) نیز توسعه داده شد و با پیکربندی جدید ادغام شد تا پارامترهای مهم فرآیند به‌طور کامل از طریق تلفن یا رایانه از راه دور برای تصمیمات به موقع قابل نظارت و کنترل باشد.

این فناوری نه تنها نیازی به انرژی خارجی ندارد، بلکه فاضلاب را به‌طور همزمان تصفیه می‌کندایرنا: روش ابداعی شما در مورد پساب صنعتی هم کارآمد است؟

این فناوری در هر پسابی که مواد آلی وجود داشته باشد کارآمد است و قطعا یکی از اهداف بلندمدت برای پیاده‌سازی این فناوری، تصفیه پساب‌های صنعتی است. اما باید در نظر داشت که پساب‌های صنعتی مانند پساب پتروشیمی، صنایع غذایی و پالایشگاه دارای مواد سمی هستند.
البته هر پسابی دارای مواد سمی است، اما این مواد سمی دارای یک حد مشخصی هستند که میکروارگانیزم‌ها می‌توانند در آن رشد کنند و اگر میزان این عناصر از حد مشخص بیشتر شوند دیگر امکان رشد میکروارگانیزم در آن وجود ندارد. اغلب پساب‌های صنعتی حاوی مواد سمی زیادی هستند که در چنین شرایطی ابتدا این پساب‌ها از طریق یک پیش‌تصفیه، سطح مواد سمی آن تقلیل پیدا می‌کند و سپس به چرخه اصلی باز می‌گردد.

ایرنا: این روش چقدر هزینه‌بر است؟

از بخش‌های هزینه بر این سیستم، می‌توان به غشا و الکترود اشاره کرد. ادامه کار در این حوزه‌ها و استفاده از توان داخلی و بومی می‌تواند در کاهش قیمت این اجزا کمک کند. ما اکنون بر روی کاهش قیمت با استفاده از روش «زیست توده» (Biomass) کار می‌کنیم. از این طریق در حال تحقیقاتی هستیم تا به واسطه آن بتوانیم با استفاده از همین زیست‌توده‌ها، الکترودها را به صورت بومی تولید کنیم که در این صورت قیمت الکترود خیلی پایین می‌آید.
اکنون ما از الکترود بر پایه کربنی استفاده می‌کنیم که قیمت بالایی ندارد. اما اگر بتوان الکترودهای با قیمت مناسب‌تر و از نوع فلزی را تولید کرد باعث افزایش بازدهی خواهد شد. نکته‌ای که اکنون و برای همه کشورها مطرح است این است که یک کشور تا چه اندازه در تولید اقلام این روش وابسته هستند؟ یعنی اگر بتوان از غشا و یا الکترود پربازده استفاده کرد اما برای دریافت آن به کشور دیگری وابسته بود، خوب این موضوع چندان مقرون به صرفه نیست. به همین دلیل درحال تحقیق بر روی ساخت و بومی‌سازی اجزای این سیستم هستیم.

تمام تلاش ما در زمینه توسعه این تکنولوژی به گونه‌ای بوده که این تکنولوژی اولا ساده باشد، ثانیا برای همه قابل دسترس بوده و در همه جای جهان امکان استفاده از آن وجود داشته باشدایرنا: وجه تمایز این روش ابداعی شما چیست؟

مانند هر صنعتی، اصل مهم در نوآوری و ابتکار ساخت بومی یک فرایند، توسعه اجزای آن و پیاده‌سازی کاملا بومی آن است که ما به آن رسیده‌ایم. همچنین، دو گونه طراحی و ساخت راکتورهایی که ما برای حل دو مشکل کلیدی در این سیستم‌ها ارایه دادیم، برای اولین‌بار در دنیا هستند. راکتورهای طراحی و ساخته شده توانسته‌اند مشکلات مربوطه به عدم تعادل pH، مقاومت بالای سیستم‌ها و بازدهی پایین سیستم‌های در حال استفاده را حل کنند.
علاوه بر این، پیش‌بینی شرایط و نیازهای اساسی آینده و توسعه فناوری‌ها با بالاترین بهره‌وری در عین محافظت از محیط‌زیست از اساسی‌ترین نیازهای هر جامعه انسانیست. به عبارت دیگر، اگر فناوری مورد نیاز آینده را نسازیم، باید همواره برای دریافت آن هزینه کنیم.
فارغ از بالا بودن چنین هزینه‌ای، توانایی تغییرات و بومی‌سازی آن را نیز نداشته و نمی‌توان از مزایای بومی‌سازی تکنولوژی مانند اشتغال، آموزش نیروی بومی، افزایش خلاقیت و نوآوری استفاده کرد.
به همین دلایل تمام تلاش ما در زمینه توسعه این تکنولوژی به گونه‌ای بوده که این تکنولوژی اولا ساده باشد، ثانیا برای همه قابل دسترس بوده و در همه جای جهان امکان استفاده از آن وجود داشته باشد و به‌خصوص برای کشورهای با وضعیت اقتصادی ضعیف‌تر نیز امکان این بهره‌برداری وجود داشته باشد.