آب یکی از حیاتی‌ترین عناصری است که انسان برای بقا به آن نیاز دارد. اگرچه بیش از ۷۰ درصد از کره زمین را آب تشکیل می‌دهد؛ اما این آب شور بوده و حاوی املاح معدنی بسیار زیادی است. بنابراین نمی‌توان مشکل کمبود آب را نادیده گرفت. زیرا انسان به آب شیرین نیاز دارد و نمی‌تواند آن را از آب دریا و اقیانوس‌ها دریافت کند. از گذشته تاکنون بسیاری از مناطق کره زمین با کمبود آب مواجه بودند و راه حلی را برای این مشکل جستجو می‌کردند. با توسعه علم و تکنولوژی بشر توانست دستگاهی با عنوان آب شیرین کن را ابداع و از آن برای مصارف صنعتی و خانگی استفاده کند. در این مطلب به معرفی آب شیرین کن می‌پردازیم و نحوه عملکرد و انواع آن را با یکدیگر بررسی می‌کنیم.
کاربرد آب شیرین کن چیست؟
از آنجایی که منابع آب شیرین بسیار محدود هستند و از طرفی مصرف سرانه جهان نیز در حال افزایش است؛ بنابراین نیاز به دستگاه‌های آب شیرین کن بیش از هر زمان دیگری احساس می‌شود. این دستگاه‌ها کاربردهای مختلفی دارند و با تکنولوژی‌های متنوعی کار می‌کنند؛ بنابراین مهم‌ترین کاربرد آب شیرین کن، جداسازی نمک و املاح معدنی از آب شور و تبدیل آن به آب شیرین و قابل مصرف است.
آب شیرین کن چطور کار می‌کند؟
برای تبدیل آب شور به آب شیرین، به انجام فرایندهای مکانیکی و حرارتی نیاز داریم و هر کدام از این فرایندها مستلزم به داشتن دستگاه‌ها و قطعات مخصوصی هستند. آب شیرین کن‌ها فرایند تبدیل آب شور به آب شیرین را از دو طریق انجام می‌دهند: آب شیرین کن اسمز معکوس و آب شیرین کن حرارتی یا HTH. این دو مکانیزم از عملکرد متفاوتی برخوردار هستند و هر کدام مزایا و معایب خاصی دارند.
آب شیرین کن اسمز معکوس یا غشایی
دستگاه اسمز معکوس (REVERS OSMOSIS) یا غشایی یکی از روش‌های پیشرفته و رایج برای تصفیه آب شور و تبدیل آن به آب شیرین است. این دستگاه از راندمان بالایی برخوردار بوده و می‌تواند با بهترین کیفیت، آب شیرین تولید کند. فرایند شیرین سازی در این دستگاه با استفاده از چندین لایه غشایی انجام می‌شود. این لایه‌های غشایی دارای سوراخ‌های بسیار ریز در ابعاد نانو هستند. با وارد کردن این غشا حفره دار به درون آب، فرایند شیرین سازی آغاز می‌شود. مولکول‌های آب وزن و جرم بیشتری نسبت به نمک‌های موجود در آب دارند؛ بنابراین به راحتی از سوراخ‌های غشا عبور می‌کنند. اما نمک‌ها ابعاد و وزن بیشتری دارند و حتی با وجود اینکه کاملاً در آب حل شدند، نمی‌توانند از سوراخ‌های غشا عبور کنند. در نتیجه فقط آب خالص عبور کرده و به این شکل آب شیرین تولید می‌شود.
در دستگاه‌های تصفیه از جریان برق نیز برای شیرین سازی آب استفاده می‌شود. در این روش با استفاده از جریان برق، الکترون‌های آزاد به یون‌های مثبت واکنش نشان می‌دهند و در اثر این واکنش حجم و اندازه نمک افزایش پیدا می‌کند؛ در نتیجه نمی‌توانند از غشا عبور کنند. در این روش به برق با ولتاژ بالا نیاز نیست و با برق بسیار کم نیز این فرایند انجام می‌شود. اگرچه غشایی که در دستگاه‌های تصفیه به کار می‌رود، بسیار گران است و از تکنولوژی بسیار قوی در ساخت آن استفاده می‌شود؛ اما با این حال این یک روش رایج بوده و در بیشتر مرکزهای تولید آب شیرین صنعتی و خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
آب شیرین کن حرارتی
آب شیرین کن حرارتی یکی دیگر از روش‌های تصفیه آب و تبدیل آب شور به شیرین محسوب می‌شود. توضیح فرایند این روش بسیار آسان است. زمانی که آب حرارت داده شود، آب تبدیل به بخار می‌شود و این بخار فقط حاوی مولکول‌های آب بوده و نمکی همراه با آن بخار نمی‌شود. در آب شیرین کن حرارتی از این فرایند استفاده می‌شود.
این فرایند در دستگاه‌های تصفیه به روش آب شیرین کن تقطیری یا آب شیرین کن تبخیری انجام می‌شود. شیرین سازی آب به روش تقطیری ((MSF) Multi Stage Flashing) طی چند مرحله انجام می‌شود. در این روش ابتدا آب در مخزنی به نام گرمکن گرم می‌شود. سپس این آب گرم سریعاً وارد مخزن دیگری می‌شود و این ورود ناگهانی باعث می‌شود آب به سرعت به نقطه جوش برسد. سپس آب بخار شده وارد دستگاه سردسازی و تقطیر می‌شود. در این روش انرژی کمتری مصرفی شده و در کمترین زمان، حجم زیادی از آب شیرین تولید می‌شود. برای حرارت دادن آب در این روش، از موتور کشتی استفاده می‌شود. زیرا حرارت موتور کشتی می‌تواند تا دمای 300 درجه بالا رود. در دستگاه‌های آب شیرین کن خانگی از روش غشایی یا اسمز معکوس استفاده می‌شود. زیرا در این روش نیازی به حرارت آب نیست و انرژی کمتری مصرف می‌شود. همچنین این روش برای مصرف خانگی، کم صدا و کم خطر بوده و آب شیرین تولید شده کیفیت بالایی دارد.
انواع آب شیرین کن
دستگاه‌های آب شیرین کن در مدل‌ها و ابعاد مختلفی تولید شده‌اند و هر کدام ظرفیت بخصوصی برای تولید آب شیرین دارند. انتخاب دستگاه آب شیرین کاملاً به نوع نیاز مصرف‌کننده بستگی دارد. به عنوان مثال آب شیرین کن دریایی ابعاد و ظرفیت بسیار بزرگی دارد و از آن نمی‌توان برای شیرین سازی آب خانگی استفاده کرد. از طرفی دیگر برخی کارخانه‌ها برای تولید محصولات خود به آب بسیار زیادی نیاز دارند و نمی‌توانند برای تأمین آب شیرین از آب شیرین کن خانگی استفاده کنند. پس با شناخت انواع دستگاه‌های آب شیرین کن بهتر می‌توانیم با کارکرد و ویژگی‌های هر کدام آشنا شویم.
آب شیرین کن خانگی
متأسفانه، در بسیاری از مناطق ایران به دلیل عدم لوله کشی آب به این مناطق، دسترسی به آب شیرین شهری وجود ندارد. در گذشته از رودخانه‌ها و چشمه‌ها برای تأمین آب استفاده می‌کردند؛ اما به مرور آب این دریاچه‌ها خشک شده و مردم ناچار به استفاده از آب قنات و چاه‌ها شدند. آب قنات حاوی املاح معدنی زیادی است که می‌توان با استفاده از آب شیرین کن خانگی آن را کاملاً تصفیه کرد. استفاده از دستگاه‌های آب شیرین کن خانگی در این مناطق کاربرد بسیار زیادی دارد و این دستگاه‌ها با روش اسمز معکوس یا همان غشایی کار می‌کنند. ابعاد این دستگاه‌ها بسیار کوچک بوده و می‌توان آن‌ها را به راحتی داخل خانه نصب کرد. بعضی از دستگاه‌های آب شیرین کن خانگی از نوع فیلتر دار هستند و در زیر سینک تعبیه می‌شوند. برخی دیگر از نوع رومیزی بوده که از یک مخزن بزرگ برخوردار هستند و آب را به مرور تصفیه می‌کنند. با داشتن دستگاه آب شیرین کن دیگر نیازی به آب شهری نخواهید داشت. بخصوص اگر در نزدیکی دریا یا چاه باشید، می‌توانید با استفاده از پمپ، آب را استخراج کرده و به لوله کشی خانه متصل کنید.
آب شیرین کن صنعتی
آب شیرین در صنعت کاربرد بسیار زیادی دارد و بدون دسترسی به آن امکان تولید میلیون‌ها محصول خوراکی وجود ندارد. در تولید محصولات خوراکی از آب شیرین استفاده می‌شود؛ زیرا در غیر این صورت هیچ مواد غذایی از طعم خوبی برخوردار نخواهد بود و حتی نمی‌توان از آن استفاده کرد. به همین دلیل در بسیاری از کارخانه‌های بزرگ از دستگاه‌های آب شیرین کن صنعتی استفاده می‌شود. ابعاد دستگاه آب شیرین صنعتی بسیار بزرگ بوده و ظرفیت بیشتری نیز دارد؛ بنابراین برای نصب آن به فضای بزرگی نیاز بوده و همچنین قیمت بالاتری دارد.
آب شیرین کن کشاورزی و گلخانه‌ای
آب شیرین کن کشاورزی که به آن دستگاه RO نیز گفته می‌شود، برای مصارف کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دستگاه آب شیرین کن از طریق روش اسمز معکوس یا غشایی آب مورد نیاز برای کشاورزی را تولید می‌کند. این دستگاه برای آبیاری و مه پاشی بسیار ایده‌آل بوده و مجهز به سیستم‌های اتوماتیک CIP و فلاشینگ هستند.
آب شیرین کن دریایی
آب شیرین کن دریایی نیز یکی از دستگاه‌های رایج برای تصفیه آب شور دریا بوده و در این دستگاه نیز به روش اسمز معکوس عملیات شیرین سازی آب انجام می‌شود. در دستگاه آب شیرین کن دریایی از غشا نیمه تراوا استفاده شده و آب خروجی کیفیت بسیار بالایی دارد. در این سیستم، آب شور به میزان ۹۹ درصد تصفیه شده و فرایند آن بسیار سریع انجام می‌شود.
آب شیرین کن خورشیدی
آب شیرین کن خورشیدی یکی از انواع آب شیرین کن‌های صنعتی بوده که در شکل‌های مختلفی ساخته شده است. در آب شیرین کن‌های خورشیدی از روش تبخیر و تقطیر استفاده می‌شود. ابتدا آب شور وارد این دستگاه شده و سپس با تابش نور خورشید، سطح شیشه‌ای دستگاه گرم می‌شود. سپس آب شور موجود در مخزن این دستگاه تبخیر شده و املاح معدنی، نمک‌ها و ذرات آلوده از آب جدا می‌شوند. بخار خالص در سطح زیر شیشه تقطیر شده و سپس به سمت مخزن جمع کننده آب هدایت می‌شود. از این دستگاه برای صنایع مخابراتی، بیمارستان‌ها، آزمایشگاه‌ها و مناطق مجاور دریا (برای آب بهداشتی) استفاده می‌شود.
آب شیرین کن هسته‌ای
انرژی هسته‌ای در دستگاه‌های آب شیرین کن می‌تواند جایگزین منبع برق و سوخت‌های فسیلی باشد. زیرا آب شیرین کن‌های صنعتی برای تبدیل آب شور به آب شیرین، به انرژی زیادی نیاز دارند و با استفاده از انرژی هسته‌ای می‌توان این نیاز را تأمین کرد. بخصوص در کشور ایران ذخایر آب زیرزمینی محدود بوده و نیاز به آب شیرین با توجه به رشد جمعیت بیشتر از هر زمان دیگری احساس می‌شود. هنوز چنین دستگاهی در ایران ساخته نشده؛ اما در آینده پیش رو استفاده از این انرژی ارزشمند برای استفاده در دستگاه‌های آب شیرین کن به امری ملزم تبدیل خواهد شد.
آب شیرین کن‌ها در جهان
طبیعتاً حدس خواهید زد که بزرگ‌ترین آب شیرین کن‌های جهان بیشتر متعلق به کشورهایی است که از آب و هوایی گرم و خشک برخوردار هستند. در حال حاضر بزرگ‌ترین نیروگاه آب شیرین کن صنعتی جهان متعلق به کشور عربستان صعودی است. این نیروگاه عظیم در روز از ۶۰۰ هزار متر مکعب ظرفیت برخوردار بوده و روزانه ۶۰۰ میلیون لیتر آب شیرین تولید می‌کند. در کشور ایران نیز در شهر بندر عباس تولید یکی از بزرگ‌ترین آب شیرین‌کن‌های کشور در فاز اول قرار گرفته است. این دستگاه به صورت شبانه روزی از ۲۰ هزار متر مکعب ظرفیت برخوردار بوده و هدف آن تولید بخشی از آب آشامیدنی مردم بندر عباس است. در شهرهای دیگر جنوب ایران از جمله زاهدان، کیش و… از دستگاه‌های صنعتی بسیار بزرگ آب شیرین کن استفاده می‌شود.
تفاوت آب شیرین کن با دستگاه تصفیه آب چیست ؟
حتما برایتان این سوال مطرح شده که فرق دستگاه آب شیریم کن با دستگاه تصفیه آب چیست. خب در نگاه اول هر دو دستگاه عملکرد مشابهی دارند و به نوعی آلودگی‌ها را از آب تصفیه نشده جدا می‌کنند. اما وقتی در نحوه عملکرد هر کدام عمیق‌تر شویم، تفاوت این دو را بیشتر احساس می‌کنیم. آب شیرین همان‌طور که در این مطلب اشاره کردیم در دو نوع صنعتی و خانگی موجود بوده و با دو روش حرارتی و اسمز معکوس اقدام به تولید آب شیرین می‌کند.
در دستگاه تصفیه آب چندین فیلتر مختلف از جمله فیلتر مبدل یوتی، فیلتر کربن فعال و فیلتر اسمز معکوس وجود دارد. هر چه دستگاه تصفیه دارای فیلترهای بیشتری باشد در تصفیه آب آلوده بهتر عمل می‌کند اما این دستگاه‌های تصفیه نمی‌توانند آبی با نمیزان سختی و شوری بالا را تصفیه کنند و این کار فقط از عهده دستگاه آب شیرین کن بر می‌آید. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که دستگاه آب شیرین کن می‌تواند به عنوان یک دستگاه تصفیه نیز عمل کند؛ اما دستگاه تصفیه نمی‌تواند جایگزین دستگاه آب شیرین کن باشد.
تاثیر آب شیرین کن بر محیط زیست
اگرچه آب شیرین‌کن‌ها نقشی حیاتی برای ادامه حیات بشر ایفا می‌کنند، اما متأسفانه تأثیر مثبتی بر روی اکوسیستم و محیط زیست نمی‌گذارد. همان‌طور که گفتیم در تولید آب شیرین، حجم زیادی از آب سالم تأمین شده و در عوض با حجم زیادی از پساب که حاوی نمک بسیار و املاح مضر بوده، رو به رو می‌شویم. متأسفانه حتی در کشورهای پیشرفته و در حال توسعه راه حل کاربردی برای دفع این مواد وجود ندارد و تنها راه حل آن‌ها برگرداندن این مواد به مبدأ یعنی دریاها و اقیانوس‌هاست. ورود این مواد آلوده به دریا باعث از بین رفتن موجودات بسیار ریزی شده که خود آن‌ها منشأ زنجیره غذایی درون آب هستند و این چرخه می‌تواند در نهایت به انسان‌ها نیز آسیب وارد کند. با این حال راه حل‌های جدیدی مانند حفره چاه‌های عمیق برای نگهداری یا موارد دیگر وجود دارد که هنوز به طور جدی مد نظر گرفته نشده است.
مزایا و معایب آب شیرین کن‌ها
مزایا:
- از ورود باکتری‌های مضر و آلوده به درون آب آشامیدنی جلوگیری می‌شود.
- مواد شیمیایی مانند فلوراید و کلر از آب حذف می‌شود
- در روش غشایی هدر رفتن آب بسیار کم است.
- آب شیرین برای کارخانه‌ها و تولید انواع محصولات خوراکی تأمین می‌شود.
معایب:
- دستگاه‌های آب شیرین کن صنعتی بسیار گران هستند.
- به مواد و تجهیزاتی با استاندارد بالا نیاز دارند.
- پساب‌های ناشی از فرایند تبدیل آب شیرین به آب شور بر روی محیط زیست تأثیر منفی می‌گذارد.