تقنيات لمياه الشرب الصالحة للشرب

تتطلب تحلية المياه الكثير من الطاقة ، لكن التقنيات الناشئة ستساعد
يبدو للوهلة الأولى أن تحلية المياه – إزالة المعادن الذائبة من مياه البحر أو المياه الجوفية قليلة الملوحة أو مياه الصرف الصحي المعالجة – هي الحل الأمثل لنقص المياه العذبة. ما الذي يمكن أن يكون أكثر جاذبية من تسخير 1.34 كوادريليون (أي 15 صفرًا) ميغا لتر من مياه البحر التي لا تنضب على الكوكب؟ المحيطات مقاومة للجفاف. من الناحية النظرية ، كذلك هي مياه الصرف الصحي.

في الخليج العربي ، حيث تحتوي مياه البحر عادة على 45 جرامًا من الملح لكل لتر ، تعد التحلية الحرارية هي السمة. هذه الطريقة تبخر الماء لتنقيته. إلى حد كبير في كل مكان آخر ، يتم تحلية المياه عن طريق التناضح العكسي ، الذي ينقي المياه عن طريق دفعها عبر الأغشية. تقلل كلتا الطريقتين الملح إلى 0.5 جرام لكل لتر.

لكن هناك ثمن. وطالما استمرت تكلفة تحلية المياه في الاعتماد على تكلفة الطاقة ، فإن هذه التقنيات لن تساعد الكثير من العالم النامي المتعطش للطاقة والذي هو في أمس الحاجة إليها. وتحلية المياه ليست مجرد طاقة كثيفة ؛ هناك أيضا مشكلة الحمأة السامة التي تتركها وراءها. في هذا العمل ، قد يكون المحلول الملحي – النتيجة المركزة لتنقية المياه – كلمة مكونة من أربعة أحرف. يمكن أن يؤدي رمي المحلول الملحي إلى المحيط إلى قتل الأسماك والمقيمين الأصغر في السلسلة الغذائية.

قد يصنع العديد من المتنافسين تاريخًا من هذه المخاوف. تعمل الأساليب الجديدة في خط الأنابيب على تقليل الطلب على الطاقة في تحلية المياه بطرق مبتكرة ومثيرة للاهتمام. علاوة على ذلك ، هناك تقنيات يمكن أن تحول كعب أخيل لتحلية المياه إلى مصدر قوة: في المستقبل ، قد يتم تشغيل تحلية المياه فقط من خلال نفس الأشياء التي يتم تصفيتها.

الجانب السلبي
كثيفة الطاقة ، بنية تحتية ضخمة ، نفايات ملحية سامة.

مياه المحيطات. الطاقة المطلوبة هي نفسها بغض النظر عن تركيز الملح في الماء ، لذا فإن العملية مناسبة تمامًا للمياه شديدة الملوحة.

مقايضة الطاقة

يمكن أن يستهلك التبخير والضخ ما يصل إلى 80 ميغاواط / ساعة لكل ميغا لتر من المياه المنتجة. يقتصر استخدامه إلى حد كبير على الشرق الأوسط ، حيث تميل المصانع إلى استخدام الحرارة المهدرة من محطات الطاقة المجاورة والزيت الرخيص بدلاً من الكهرباء. لا تستخدم التحلية الحرارية في الولايات المتحدة: سعر الطاقة النموذجي في الولايات المتحدة البالغ 0.065 دولارًا للكيلوواط / ساعة يترجم إلى 5200 دولار / مل من الماء. بسعر يزيد قليلاً عن نصف سنت لكل لتر ، وهو سعر رخيص بما يكفي للاستحمام والشرب ، ولكن بالنسبة للري أو الاستخدامات الصناعية ، فإن الثمن باهظ.

ماذا بعد
في المملكة العربية السعودية ، محطة توليد الكهرباء وتحلية المياه بسعة 880 مل في اليوم على البحر الأحمر ، هي أكبر محطة حرارية لتحلية المياه في العالم. ولكن حتى بالنسبة لمياه البحر ، تتوقع شركة أبحاث السوق “لوكس” أن التحلية الحرارية لن تتجاوز منطقة الشرق الأوسط ، التي تمتلك نصيب الأسد من النفط الرخيص لتحلية مياهها شديدة الملوحة.

كيف تعمل
افصل بين المياه المالحة والمياه العذبة بغشاء يمنع أيونات الملح ، وتندفع المياه العذبة إلى الجانب المالح من خلال عملية التناضح الطبيعي. يستخدم التناضح العكسي (RO) الضغط الهيدروليكي لدفع جزيئات الماء في الاتجاه المعاكس ، مع غشاء يمنع الملح.

الجانب السلبي
محلول ملحي سام لا يمكن تصفية المواد التي يحتمل أن تكون ضارة تمامًا مثل البورون والزرنيخ والليثيوم وبعض المركبات الصيدلانية. عندما تنسد الأغشية ، يجب كشطها وتبييضها أو التوقف عن العمل ؛ التنظيف ، ومع ذلك ، يقلل من عمر الأغشية باهظة الثمن. تؤدي المعالجة المسبقة للمياه لإزالة الأوساخ إلى إبطاء معدل التلوث ولكنها تتطلب الكثير من العقارات.

المياه الجوفية قليلة الملوحة ، والتي تحتوي في المتوسط على 3 إلى 5 جرامات فقط من الملح لكل لتر. كما يتم استخدام التناضح العكسي بشكل متزايد لتحلية مياه البحر.

مقايضة الطاقة
يتناسب الضغط اللازم لدفع الماء عبر الغشاء مع ملوحة الماء. ارتفاع الضغط يعني ارتفاع تكلفة الطاقة. في المتوسط ، يتطلب التناضح العكسي ما لا يقل عن 3.5 ميجاوات / مل من المياه قليلة الملوحة وأكثر من مياه البحر.

ماذا بعد
سينتج مصنع كارلسباد بولاية كاليفورنيا المقرر افتتاحه في عام 2012 أكثر من 189 مل من مياه الشرب يوميًا من المحيط الهادئ ، مما يجعله أكبر مصنع تناضح عكسي في الولايات المتحدة.

كيف تعمل
يعمل نزع الأيونات السعوي بدون أغشية. يقوم بتصفية الشوائب عن طريق تدفق الماء بين قطبين مشحونين. تجذب الأقطاب الكهربائية الأيونات في الماء ، والتي تلتصق

لهم ، وترك المياه العذبة. تسد الأيونات المرفقة الأقطاب الكهربائية في النهاية ، لكن التنظيف سهل: ببساطة قم بعكس القطبية الكهربائية لطرد الأيونات للخارج. المواد المرشحة الجيدة للأقطاب الكهربائية هي المواد المتقدمة مثل الهلام الهوائي الكربوني والكربون المسامي.

سهل التنظيف يتطلب طاقة أقل. يمكن أن تستمر العملية نظريًا إلى الأبد دون تغيير الأقطاب الكهربائية.

الجانب السلبي
يعمل فقط في المياه قليلة الملوحة ؛ في الممارسة العملية ، يمكن أن تفسد الأقطاب الكهربائية. لا يخفف محلول ملحي سام.

مقايضة الطاقة
ضغط أقل بكثير يعني طاقة أقل.

ماذا بعد
هذا العام ، سيتم الكشف عن مفاعل اختبار في نيو مكسيكو ، كجزء من مشروع دولي بقيادة كامبل للفيزياء التطبيقية ، في رانشو موريتا ، كاليفورنيا ، والعديد من المختبرات الوطنية الأمريكية.

كيف تعمل
طور فريق من الباحثين في مركز بالو ألتو للأبحاث (PARC) في كاليفورنيا مفاعلًا يفصل الجسيمات عن الماء عن طريق إرسالها عبر قناة طويلة منحنية. تتسبب القوى الهيدروديناميكية في جعل الجسيمات مركزة بالقرب من الجدار الداخلي للقناة ، مما يسمح بفصلها بسهولة.

يستخدم القليل من الطاقة ؛ المدمج؛ يقلل من أثر المعالجة بالتناضح العكسي.

الجانب السلبي
قد تكون القنوات نفسها عرضة للقاذورات. لا يعالج ناتج المحلول الملحي السام لتحلية المياه.

مياه البحر والمياه قليلة الملوحة ومياه الصرف.

مقايضة الطاقة
على عكس أجهزة الطرد المركزي ، التي تخرج الملوثات من الماء باستخدام قوى g بالآلاف أو عشرات الآلاف ، يتطلب نظام المقياس المختبري لـ PARC قوى g في الأرقام الفردية. هذا يقلل من الطلب على الطاقة للمعالجة المسبقة إلى 2.5 كيلو واط / مل من الماء فقط.

ماذا بعد
سيتم تركيب مفاعل اختبار على حاملة طائرات تابعة للبحرية الأمريكية في وقت لاحق من هذا العام.

كيف تعمل
سيعتمد الجيل التالي من الأغشية بشكل أكبر على الهندسة الكيميائية الذكية وبدرجة أقل على القوة الغاشمة لدفع جزيئات الماء عبرها. يعني الضغط الهيدروليكي الأقل أن الأغشية الجديدة ستقلل من متطلبات الطاقة للتناضح العكسي. في IBM Research في Almaden ، كاليفورنيا ، يعمل الباحثون على أغشية ستكون أكثر صرامة وتعقيدًا في آن واحد ، مما يسمح فقط للمواد ذات التعريف الجزيئي المناسب بعبور الحاجز. يوجد الزرنيخ والبورون أولاً على كتلة التقطيع.

تظهر أغشية IBM انخفاضًا بنسبة 90 بالمائة في تركيز البورون.

الجانب السلبي
غير متوفر تجاريًا بعد. لا يعالج مشكلة محلول ملحي سام.

مقايضة الطاقة
يجب أن تعمل الأغشية التي تعمل تحت ضغط منخفض على خفض الطلب على الطاقة في التناضح العكسي.

ماذا بعد
في مارس ، أعلنت شركة IBM Almaden ومدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتكنولوجيا في المملكة العربية السعودية عن جهد مشترك لبناء محطة لتحلية المياه تعمل بالطاقة الشمسية باستخدام أعمال الغشاء الخاصة بشركة Almaden. سينتج المصنع 30 مل في اليوم.

مياه مجهولة

يحذب! التناضح الأمامي

كيف تعمل
طورت Oasys من جامعة ييل ، ومقرها في كامبريدج ، ماساتشوستس ، طريقة تضع مياه البحر بجوار محلول ملح أكثر تركيزًا ، مفصولة بغشاء. المحلول المركز ، خليط من الأمونيا وثاني أكسيد الكربون ، يمتص المياه العذبة من مياه البحر. ثم تزيل الحرارة الأمونيا وثاني أكسيد الكربون ، تاركة المياه العذبة.

يتطلب القليل من الطاقة. من الناحية النظرية ، يمكن إعادة تدوير محلول السحب إلى أجل غير مسمى.

الجانب السلبي
نفايات المحلول الملحي السامة. يجب إزالة محلول الأمونيا تمامًا من مياه الشرب.

تركيز ملح.

مقايضة الطاقة
يقول Oasys إن التكنولوجيا تستخدم عُشر الطاقة التي تتطلبها محطات التناضح العكسي الحالية.

ماذا بعد
تلقت الشركة الناشئة 10 ملايين دولار أمريكي في شكل تمويل استثماري في عام 2009 وتعمل الآن على منصة تجارية.

محرك الاختلاف: قوة التناضح

كيف تعمل
يمكن أن يكون التناضح هو الأساس لطريقة جديدة لتوليد الطاقة. افصل بين مصدرين للمياه بتركيزات مختلفة جدًا من الملح – على سبيل المثال ، مياه الأنهار ومياه المحيط ، أو المياه المالحة المالحة ومياه الصرف غير الملحية – باستخدام غشاء رقيق شبه نافذ. سوف يندفع الماء إلى الجانب المالح بالتناضح ، مما يزيد الضغط على الجانب المالح. يمكن أن يؤدي فرق الضغط الناتج إلى دفع التوربينات وتوليد الكهرباء. شركة نرويجية تدعى Statkraft تفعل ذلك بالضبط. يعتقد مهندسوها أن الطاقة التناضحية يمكن أن توفر 1700 تيراواط / ساعة في السنة. يمكن لهذه الطريقة أن تعيد استخدام نفايات المحلول الملحي في محطات تحلية المياه. يقول سبايك نارايان ، مدير IBM Almaden للعلوم والتكنولوجيا: “تنتج محطات تحلية المياه مياه شديدة الملوحة كمنتج ثانوي”. “لذا فقد ركزت محلول ملحي ، ووجدت مياه الصرف الصحي بدون ملح. اجمعهم معًا ويمكنك توليد الطاقة أثناء تخفيف المحلول الملحي “.

يولد الكهرباء لأنه يخفف من نفايات المحاليل الملحية السامة.

الجانب السلبي
ينتج المصنع التجريبي طاقة كافية فقط

في أي مكان تلتقي فيه الأنهار بالمحيطات أو حيث يمكن أن تعبر محطات تحلية المياه ومعالجة مياه الصرف مجاريها.

مقايضة الطاقة
إلى جانب محطة تحلية المياه ، يمكن أن تولد الطاقة التناضحية 3 واط من الكهرباء لكل متر مربع من الغشاء ، مما يعوض جزئيًا بعض تكلفة الطاقة لتحلية المياه.

ماذا بعد
بدأت المحطة التجريبية التابعة لشركة Statkraft بسعة 10 كيلوواط في العمل في نوفمبر 2009 في Tofte ، بالقرب من أوسلو. تقول الشركة إنه يمكن أن يكون لديها مصنع واسع النطاق يعمل بحلول عام 2015.

مياه مجهولة
طاقة الأخطاء: خلايا الوقود الميكروبي

كيف تعمل
يمكن لخلايا الوقود الميكروبية توليد الطاقة عن طريق تنظيف المياه المالحة الملوثة. تأكل البكتيريا الملح والمواد الأخرى الموجودة في المياه الملوثة ، وبينما تقوم بتنظيف الماء ، فإنها تولد إلكترونات زائدة كجزء من عمليات التمثيل الغذائي الخاصة بها.

التنظيف الذاتي يولد الطاقة لتحلية المياه.

الجانب السلبي
لا يزال في المختبر. حتى الآن ، يتم دراسة هذه التقنية فقط لمياه الصرف الصحي والمياه الجوفية قليلة الملوحة.

مقايضة الطاقة
سوف تولد الطاقة بدلاً من استهلاكها – إذا نجحت.

ماذا بعد
تتزايد الأبحاث حول خلايا الوقود الميكروبية في جميع أنحاء العالم ، بما في ذلك في جامعة كوينزلاند في بريسبان بأستراليا وجامعة تسينغهوا في بكين. يعمل المهندسون في مختبر أوك ريدج الوطني في ولاية تينيسي على دمج خلايا الوقود هذه مع مفاعل إزالة الأيونات بالسعة.