آبِ شیرین با فناوری نانو
اگر از بالاي جو، به کره زمين نگاه کنيد مي‌بينيد که بخش زيادي از کره زمين را آب تشکيل داده است. منابع آب بر روي کره زمين عبارتند از: درياها، اقيانوس‌ها، آب‌هاي زيرزميني، درياچه‌ها و رودخانه‌ها. شايد اگر يک موجود فضايي (اگر وجود داشته باشد!) از بالاي زمين رد شود، هيچ‌گاه به ذهنش خطور نکند که با وجود اين‌همه آب بر روي سطح کره زمين، ساکنان آن مشکلي مانند کم آبي داشته باشند! اما متاسفانه مشکل کم آبي نه تنها بر روي کره زمين وجود دارد بلکه با افزايش جمعيت و رشد صنعت، نياز به اين ماده حياتي روز به روز زيادتر هم مي‌شود.
اگر چه بيش از 70 درصد از سطح کره‌ي زمين با آب پوشيده شده است اما کمتر از 3 درصد از آن آب شيرين مي‌باشد. از اين مقدار 79 درصد به قله‌هاي يخي تعلق دارد، 20 درصد آن آب هاي زير زميني است که به راحتي قابل دسترسي نمي باشد و فقط 1 درصد آن شامل درياچه‌ها و رودخانه ها و چاه‌ها مي‌باشد که به راحتي به دست مي‌آيد . آب شيرين کن دريايي
امروزه در بسياري از کشورهاي جهان آب شرب به راحتي و با سيستم لوله‌کشي در اختيار مردم نمي‌باشد، و مردم بايد آب آشاميدني را با صرف هزينه‌هاي زياد خريداري کنند و آب لوله‌کشي تنها براي مصارف شستشو و ... وجود دارد.
با توجه به ذخاير عظيم آب شور در دنيا (آب درياها و اقيانوس‌ها) يک راه ِ توليد آب شيرين و برطرف کردن نياز روزافزون بشر به آب آشاميدني، شيرين‌کردن آب‌هاي شور مي‌باشد. به اين فرايند «نمک‌زدايي2» نيز گفته مي‌شود. فرايند نمک‌زدايي از اوايل دهه 80 ميلادي رونق پيدا کرد. در اين فرايند از اسمز معکوس استفاده مي‌شود. براي اطلاعات بيشتر در مورد فرايند اسمز معکوس مي‌توانيد به مقاله قبلي با عنوان «فناوري نانو و فيلتراسيون» مراجعه کنيد. امروزه به علت کمبود آب در کشورهاي عربي در خاورميانه، اين کشورها اقدام به احداث واحدهاي نمک‌زدايي کرده‌اند. بزرگترين كارخانه نمك‌زدايي در جهان، كارخانه نمك‌زدايي جبل‌علي در امارات متحده عربي مي‌باشد.
موارد استفاده از نمک زدايي
- توليد آب شيرين براي آشاميدن
- توليد آب شيرين براي آبياري مزارع
- توليد نمك خوراكي (اين فراورده در بسياري از كشتي‌ها و زير دريايي‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد.)
مسائلي که بايد در نمک زدايي به آنها توجه کرد:
- سهولت دسترسي
در جايي كه هيچ‌گونه نزولات آسماني ارزشمندي نداريم و نزديك به اقيانوس هستند، نمك‌زدايي مي‌تواند يك راه حل مناسب براي کاهش فشار کمبود آب در اين نواحي باشد، اما براي نواحي دور از ساحل همچون مناطق داخلي قاره‌ها يا سرزمين‌هاي بلند نمک‌زدايي راه حل مناسبي نيست. البته اين نواحي با بزرگترين مشكلات کمبود آب هستند ولي در چنين مناطقي گاهي لازم است آب را تا ارتفاع 2000متر و يا به طول 1600كيلومتر از سواحل انتقال دهيم و چنين امري باعث برابري هزينه انتقال آب با شيرين كردن آن مي‌شود. بنابر اين در چنين مواردي انتقال آب شيرين از منابع طبيعي اقتصادي‌تر از شيرين کردن آب است. به عنوان مثال در نواحي دور از دريا مانند دهلي نو يا در مكان‌هاي مرتفع مانند مکزيکوسيتي (پايتخت مکزيک) هزينه بالاي انتقال آب به هزينه‌ي گزاف نمك‌زدايي افزوده مي‌شود. در بعضي نواحي مانند رياض و حراره كه هم تا حدي از دريا دورند و هم در نواحي مرتفع قرار دارند مشکل دوچندان مي‌شود. در نواحي نزديک دريا مانند پکن، بانکوک، هزينه انتقال حذف مي‌شود و فقط هزينه شيرين‌سازي باقي مي‌ماند ولي در منطقه جبيل در عربستان سعودي آب پس از نمک‌زدايي دويست مايل (320 کيلومتر) پمپ مي‌شود تا به رياض پايتخت عربستان برسد. براي شهرهاي ساحلي، به تدريج، نمک‌زدايي به يک منبع لايزال تامين آب تبديل مي‌شود.
- نحوه تامين آب شور
نحوه تامين آب شور ورودي تاثير قابل ملاحظه‌اي بر زندگي موجودات دريايي دارد ولي در بسياري از واحدهاي نمک‌زدايي اين موضوع مورد غفلت واقع شده است. تخمين زده مي‌شود که نود درصد جانوران دريايي موجود در آب ورودي، اعم از پلانکتون‌ها، تخم و لارو ماهي‌ها، در حين فرايند شيرين‌سازي از بين مي‌رود. براي حل اين مشکل يک راه حل وجود دارد و آن هم تامين آب مورد نياز از طريق چاه‌هاي ساحلي است که فاقد جانوران دريايي هستند ولي اين راه حل با افزايش هزينه ناشي از پمپاژ آب از چاه همراه است.
- نوع مصرف آب (گياه، حيوان يا انسان)
- مسائل زيست محيطي
در همه واحدهاي نمک‌زدايي، مسئله پساب شور خروجي مسئله مهم زيست محيطي است. براي به حداقل رساندن آثار زيان‌بار زيست محيطي بازگرداندن پساب شور به درياها آن را با جريان‌هاي ديگر آب، مثلا پساب نيروگاه‌ها يا ...، رقيق مي‌کنند. پساب شور مي‌تواند در بعضي از نواحي آسيب‌هاي جدي به محيط زيست وارد نمايد، به عنوان مثال در مناطقي که ميزان شفافيت پايين و سرعت تبخير بالا است. خليج فارس، درياي احمر، لاگون‌ها و جزاير مرجاني و ساير جزاير گرمسيري مثال‌هاي از اين مناطق هستند. به علت اين که پساب شور چگال‌تر از آب دريا است، اکوسيستم بستر درياها در معرض خطر بيشتري نسبت به ساير مناطق قرار دارد. دقت در رها سازي اين پساب مي‌تواند آسيب‌ها را به حداقل برساند.
- انرژي
امروزه سعي مي‌شود از انرژي‌هاي پاک مانند انرژي باد و انرژي خورشيدي براي شيرين کردن آب استفاده شود. همچنين نمك‌زدايي با انرژي هسته‌اي مي‌تواند (ممكن است) در مقياس‌هاي بزرگ اقتصادي باشد.
فناوري‌نانو و آب شيرين کن
قبل از بررسي نقش فناوري‌نانو در شيرين کردن آب دريا، بهتر است بدانيم براي همه انواع فيلترها (مانند فيلترهايي که در الترافيلتراسيون، نانوفيلتراسيون و... استفاده مي‌شوند) مي-توانيم نام کلي «غشا» را به کار بريم.
غشاهايي با جنس نانولوله‌هاي‌کربني
به کمک فناوري نانو، محققان توانسته‌اند غشاهايي از نانولوله‌هاي‌کربي بسازند که به کمک آن جداسازي گاز و مايع با کمترين هزينه امکان پذير خواهد شد . امروزه بيشتر غشاها از مواد پليمري ساخته مي‌شوند که در دماي بالا مشکلاتي را به وجود مي‌آورند . همچنين در غشاهاي پليمري نمي‌توان توازن مناسبي را ميان ورودي غشا و قابليت انتخاب آن برقرار کرد. استفاده ازنانولوله‌هاي کربني امکان انتخاب‌پذيري مناسب در ورودي‌هاي بالا را فراهم مي‌کند.
ويژگي غشاهايي با جنس نانولوله‌هاي‌کربني
- حفره‌هاي کوچک‌تر و متراکم‌تر
- امکان عبور شدت جريان زياد از هر حفره
غشاهايي با جنس نانولوله‌هاي‌کربني در شيرين سازي آب
در روشي جديد براي شيرين‌سازي آب، آب شور داغ را روي ورقه نازکي از غشاي نانولوله‌هاي کربني، که داراي حفرات ريزي به نام نانو حفره مي‌باشد، مي‌گذرند. اين حفره‌ها آنقدر کوچک هستند که فقط بخار مي‌تواند از ميان آنها عبور کند و آب مايع، نمک‌ها و مواد معدني ديگر در پشت غشا باقي مي‌مانند. در طرف ديگر غشاء محفظه‌هايي از آب سرد قرار دارد که بخار با عبور از آن دوباره به مايع تبديل مي‌شود. از آنجايي که اندازه حفرات در اين غشا بسيار کوچک است، اکثر ناخالصي‌ها جدا شده و آب شيرين بدون املاح و ناخالصي بدست مي‌آيد.
به طور خلاصه، با توجه به نياز شديد به آب شيرين در دنيا، توسعه روش‌هاي جديد براي توليد آب شيرين ضروري است. يکي از اين روش‌ها، شيرين کردن آب دريا با روش اسمز معکوس مي‌باشد. اگرچه اين روش در نواحي که به دريا نزديک است و داراي کمبود آب زياد باشند، ارزشمند مي‌باشد اما براي مکان‌هاي دور از دريا اقتصادي نمي‌باشد به اين دليل استفاده از نانوفناوري براي ايجاد روش‌هاي جديد و اقتصادي تر از اهميت زيادي برخوردار است.