چهارشنبه 18 فروردین 1400 کد خبر: 92

221

شیرین‌سازی آب

فاطمه خسرونژاد
شیرین‌سازی آب دریا و آب‌های شور موضوعی است که با کاهش منابع آب شیرین در دنیا، اهمیت روزافزونی پیدا کرده است. هرچند که کاهش هزینه‌های ساختاری و انرژی مصرفی روش‌های موجود برای شیرین‌سازی آب همچنان به عنوان یک چالش جدی مطرح است. فناوری نانو با توانمندی دستکاری مواد در ابعاد اتمی و مولکولی، فرصت‌های جدیدی را برای پیشرفت روش‌های شیرین‌سازی آب ایجاد می‌کند. در این مقاله پس از معرفی کلی فناوری‌های شیرین‌سازی آب، مواد نانوساختاری که به طور مستقیم در جداسازی آب از نمک‌های آن تاثیر دارند، معرفی می‌شوند. فرآیندهای جداسازی و پدیده‌های انتقال در موادی مثل زئولیت‌ها، نانولوله‌های کربنی و گرافن با پتانسیل بالقوه‌شان در اسمز معکوس، یون‌زدایی خازنی و سایر روش‌ها مورد بحث قرار می‌گیرند. چنین نانوساختارهایی می‌توانند نسل جدیدی از سیستم‌های نمک زدایی را با ظرفیت و کارآیی بالاتر به دنیا معرفی کنند.

۱- مقدمه

افزایش جمعیت بشر به همراه نیاز روزافزون به آب در کشاورزی، صنایع و مصارف خانگی باعث کمبود آب شیرین در بسیاری از نقاط دنیا شده است. تنها ۰/۵ درصد از ۱/۴ میلیارد کیلومتر مکعب آب دنیا (به طور قابل دسترسی) شیرین است. هرچند مصرف صحیح و بازیابی آب می‌تواند تاحدی این مشکل را کاهش دهد، ولی با توجه به رشد جمعیت جهان، نیاز به منابع دیگری برای تامین آب غیرقابل اجتناب است.

باتوجه به اینکه ۹۸ درصد از منابع آب جهان به صورت آب شور و آب دریا وجود دارد، شیرین‌سازی آب به عنوان یک منبع مهم برای تهیه آب پاکیزه مطرح می‌شود. در سال ۲۰۰۹، ۱۴۴۵۱ دستگاه شیرین‌سازی آب در سراسر جهان وجود داشت که روزانه ۶۰میلیون متر مکعب آب شیرین تولید می‌کردند. در این سال ظرفیت شیرین‌سازی آب دریا در جهان رشد ۱۲/۴ درصدی داشت که پیش‌بینی می‌شود این رقم بیشتر نیز بشود.

غشاهای اسمز معکوس(RO)[۱] یا فلاش چندمرحله‌ای حرارتی (MSF)[۲] و شیرین‌سازی چند منظوره ( MED)[۳] بیش از ۹۰ درصد ظرفیت جهانی شیرین‌سازی را تشکیل می‌دهند که از این بین غشاهای اسمز معکوس ۴۱ درصد و فلاش چندمرحله‌ای حرارتی ۴۴ درصد ظرفیت کل شیرین‌سازی را به خود اختصاص داده‌اند. روش‌های دیگر تصفیه آب نظیر الکترودیالیز درصد کوچکی(حدود ۵/۶درصد) را به خود اختصاص داده و برای کاربردهای خاصی نظیر تصفیه آب شور یا آب‌های زیرزمینی مناسب هستند. شکل۱، شماتیکی از انواع روش‌های مورد استفاده در شیرین سازی آب را نشان می دهد. همانطور که گفته شد هزینه‌های فراساختاری، هزینه‌های مربوط به تعمیرات و نگهداری و یا نصب دستگاه و همچنین نیاز روش‌های شیرین‌سازی به مقدار قابل توجهی انرژی، همه جزو مواردی هستند که می‌توانند روش‌های شیرین‌سازی را از نظر صرفه اقتصادی دچار چالش کنند. لذا برای آنکه شیرین‌سازی بتواند به نیاز جهانی پاسخ دهد حتما باید هزینه‌های مربوط به آن کاهش یابد و این به معنی افزایش کارآیی سیستم از منظر انرژی، کاهش هزینه‌های مربوط به مراحل پیش از تصفیه(فناوری‌های مرحله نخستین تصفیه) و هزینه‌های کلی است. این موضوع از چند جنبه قابل بررسی است:

۱- حداقل کردن رسوبات موجود در آب ( چه رسوبات زیستی حاوی میکروارگانیسم‌هایی که می‌توانند رشد کنند و چه رسوبات حاوی نمک‌های با قابلیت انحلال کم در آب) که می‌توانند طول عمر و کارآیی دستگاه‌های شیرین‌سازی را محدود کنند.

۲- حداکثر کردن جریان آب عبوری از غشاهای اسمز معکوس یا بهینه کردن اجزای دستگاه‌های MSF و MEF

۳- حداقل کردن اتلاف حرارتی در دستگاه‌های MSF و MEF و یا کاهش جریان اعمالی در دستگاه‌های اسمز معکوس

 

شکل۱- شماتیک فناوری‌های اصلی شیرین‌سازی آب و سهم نسبی آن‌ها در ظرفیت نصب شده جهانی برای شیرین‌سازی آب دریا و آب‌های شور. MSF ۴۴/۴درصد، RO ۴۱/۴درصد، MED و سایر روش‌های حرارتی ۸/۴درصد، ED و سایر روش‌ها ۶/۱درصد.

 

فناوری نانو می‌تواند برای تمامی موارد بالا راهکارهایی ارائه داده و باعث افزایش کارآیی سیستم و کاهش اتلاف حرارتی شود. پیشرفت‌هایی که در قرن۲۱ صورت گرفت باعث شد تا مواد نانوساختاری نظیر نانولوله‌های کربنی، نانوسیم‌ها، گرافن، نقاط کوانتومی، ابرشبکه‌ها[۴] و نانوپوسته‌ها[۵] در خلق سیستم‌ها و دستگاه‌های جدید به کار گرفته شوند. این سیستم‌ها کاربردهای مختلفی در تبدیل انرژی، فوتونیک، تصویربرداری زیستی و زیست حسگرها دارند و اخیرا نیز تحقیقات پژوهشگران بر روی استفاده از مواد نانوساختار در شیرین‌سازی آب متمرکز شده است.

در این مقاله و در بخش۲ ابتدا مروری بر روی مکانیزم‌های مورد استفاده در شیرین‌سازی آب خواهیم داشت. در بخش۳ پیشرفت‌های حوزه اسمز معکوس بررسی خواهد شد. در بخش۴ بر روی پیشرفت روش‌های مبتنی بر جریان الکتریکی تمرکز خواهیم کرد و در انتها و در بخش۵ کاربرد مواد نانوساختار در بهبود روش‌های مبتنی بر چگالش و تبخیر بررسی خواهد شد.

 

۲- مکانیزم‌های جداسازی در شیرین‌سازی آب

قبل از آنکه در مورد کاربرد نانوساختارها در شیرین‌سازی آب صحبت شود، مروری بر مکانیزم‌های جداسازی یون‌های نمکی از آب مفید خواهد بود. این روش‌های جداسازی می‌تواند به طور خلاصه به سه دسته زیر تقسیم شود (خلاصه این روش‌ها در شکل۲ آمده است)

  • مکانیزم‌های شامل تغییر فاز
  • مکانیزم‌های شامل برهم کنش‌های کوتاه برد با یک ماده انتخاب‌پذیر[۶]
  • مکانیزم‌های شامل برهم کنش‌های بلند برد الکترواستاتیک

مواد انتخاب‌پذیر موادی هستند که قابلیت انتخاب یک نوع ماده خاص را از بین انواع مختلفی از مواد دارند. به طور مثال می‌توانند یک یون خاص را از بین انواع مختلفی از یون‌ها جدا کنند.

این مواد قابلیت انتخاب یک نوع ماده خاص را از بین انواع مختلفی از مواد دارند. به طور مثال می‌توانند یک یون خاص را از بین انواع مختلفی از یون‌ها جدا کنند.

 

۱-۲- مکانیزم‌های شامل تغییر فاز

جداسازی آب و نمک می‌تواند در حین تغییر فاز آب ورودی به یخ یا بخار صورت بگیرد. به طور مثال در روش MSF آب حاوی نمک به محظه‌های کم فشاری وارد می‌شود که باعث تبخیر آب می‌شوند. سپس این بخارآب از طریق سرد شدن و چگالش در محفظه آب شیرین جمع‌آوری می‌شوند. درحالی که در روش MED از تبخیر آب نمک روی سطح داغ لوله‌های تامین‌کننده بخار استفاده می‌شوند. همچنین می‌توان از انرژی گرمایی خورشید یا غشاهای نمک زدا(سطح این غشاها آبگریز بوده و می‌تواند فاز بخار و مایع را از هم جدا کند) برای شیرین‌سازی استفاده کرد. انجماد نیز تغییر فازی است که می‌تواند باعث جداسازی نمک از آب شود زیرا نمک ترجیح می‌دهد در فاز مایع مانده و وارد فاز یخ نشود. باوجود اینکه این روش مزایایی از جمله نیاز به انرژی کمتر (در مقایسه با تبخیر) را دارد ولی به دلیل پیچیدگی طراحی دستگاه و آلودگی آب تولیدی، کاربرد آن محدود شده است.

 

شکل۲- مروری بر مکانیزم‌های جداسازی و کاربرد آن‌ها در شیرین‎سازی. تکنیک‌های مبتنی بر تغییر فاز برای آب‌های با درصد شوری بالا مناسب‌ترند در حالی که روش‌های بلندبرد برای آب‌های با درصد شوری کمتر مناسب هستند.

 

۲-۲- مکانیزم‌های شامل برهمکنش‌های کوتاه برد(<~1nm) با مواد انتخاب‌پذیر

این روش‌ها از ترکیبی از برهم‌کنش‌های فضایی، پخش شدن، دوقطبی و الکترواستاتیک بهره می‌برند. این برهمکنش‌ها از طریق عبور ترجیحی مولکول‌های آب یا یون در راستای یک ماده انتخاب‌پذیر و یا واکنش‌های جذب سطحی باعث شیرین‌سازی آب می‌شوند. مواد گزینشگر نیز خود به دو دسته تقسیم می‌شوند:

  • پلیمرهای انعطاف‌پذیری که بر مبنای جذب و انتقال گزینشی عمل می‌کنند.
  • مواد صلبی که از نوعی غربالگری مولکولی بر مبنای حذف فیزیکی استفاده می‌کنند.

در واقع در دستۀاول نوعی جذب گزینشی اتفاق می‌افتد و مولکول‌های آب با سرعت نفوذ بیشتری به داخل ماده انتخاب‎پذیر وارد می‌شوند. در حالی که این روش امکان جداسازی صرفا بر حسب اندازه را ندارد، روش دوم یعنی مواد صلب با حفرات نانومتری قادرند تا مولکول‌های کوچک آب را از یون‌های نمکی بزرگ‌تر تنها بر پایه اندازه‌شان جدا کنند.

 

3-2- مکانیزم‌های شامل برهمکنش‌های بلند برد(>~1nm)الکترواستاتیک

همانطور که می‌دانیم یون‌های با بار ناهمنام با سطوح می‌توانند روی آن سطوح جذب شوند. برهمکنش الکترواستاتیکی جزو یکی از قوی‌ترین برهمکنش‌هاست ولذا می‌تواند به عنوان یک برهمکنش بلندبرد برای جذب، انتقال و حذف یون‌های موجود در آب به کار گرفته شود. ازاین نوع برهمکنش در روش‌های یون‌زدایی خازنی[۷] و الکترودیالیز[۸] استفاده می‌شود.

 

۳- اسمز معکوس[۹]

اسمز معکوس فناوری رو به رشدی است که تحقیقات زیادی بر روی بهبود اجزا مختلف آن صورت گرفته است. با پیشرفت‌هایی که در حوزه اسمزمعکوس صورت گرفته است، میزان انرژی مصرفی این روش تا حدود kWh m-3 ۳/۵-۶/۷ کاهش یافته که بطور مثال نسبت به روش MSF با  حدود kWh m-3 ۹-۲۳/۹۶ بسیار کمتر است. همانطور که در مقاله همانطور که در مقاله روش‌های تصفیه آب نیز توضیح داده شده بود، در روش اسمز معکوس با اعمال فشاری بیشتر از فشار اسمزی، آب شور از یک غشای پلیمری عبور داده شده و نمک‌های آن جدا می‌شود. برای آنکه بتوان جریان آب بیشتری را از دستگاه اسمز معکوس عبور داد، افزایش نفوذپذیری غشا یکی از عوامل مهم است. افزایش نفوذ پذیری غشا علاوه بر جنس غشا به میزان آلاینده‌های موجود در آب نیز بستگی دارد. لذا همانطور که قبلا نیز گفته شد انجام پیش تصفیه و حذف ذرات بزرگ و میکروارگانیسم‌ها می‌تواند به افزایش جریان آب عبوری و افزایش کارایی سیستم کمک کند.

غشاهای اولیه اسمز معکوس از جنس استات سلولز بودند و در دهه ۱۹۶۰ تجاری‌سازی شدند. این غشاها به دلیل پایین بودن جریان آب عبوری و قرار داشتن در معرض تخریب زیستی کنار گذاشته شدند. در حال حاضر از پلی آمید نامتقارن[۱۰] و غشاهای کامپوزیتی لایه نازک که به روش پلیمریزاسیون فصل مشترکی تولید می‌شوند، استفاده می‌شود. این غشاها از ساختاری تشکیل شده که در آن یک لایه نازک پلی آمید(۱۰۰-۱۰۰۰نانومتر) با قابلیت انتخاب‌پذیری بر روی لایه متخلخلی از پلی سولفور قرار گرفته که هم از نظر مکانیکی آن را تقویت کرده و هم فشار قطره را حداقل می‌کنند.

بااینکه غشاهای اسمز معکوس در حال حاضر تجاری شده‌اند، بهبود جریان آب، حذف نمک، مقاومت به تجمع رسوب در دستگاه و مقاومت در مقابل تجزیه غشا از جمله مواردیست که برای بهبود عملکرد غشا موثر است. هرکدام از این موارد می‌تواند منجر به کاهش هزینه‌ها و حتی کاهش اندازه دستگاه‌های اسمز معکوس شود. البته برای آنکه بهترین حالت بهینه‌سازی شامل تمامی عوامل ذکر شده حاصل شود، انتخاب جنس مادۀ تشکیل دهنده غشا یک نکته بسیار مهم و قابل توجه است.

برخلاف غشاهای پلیمری که زنجیره‌های قابل انعطاف داشته و نمی‌توان از آن‌ها برای جداسازی ذراتی با سایز مشخص استفاده کرد، ساختارهای صلب با اندازه حفرات مشخص و کوچکتر از نانومتر امکان جداسازی ذرات با اندازه مشخص و به صورت کاملا انتخابی را دارند. فناوری نانو می‌تواند چنین موادی را در اختیار ما قرار دهد. زئولیت‌ها، نانولوله‌های کربنی و گرافن از جمله این مواد هستند.

 

زئولیت

زئولیت‌ها آلومینوسیلیکات‌های معدنی با حفرات ۳-۸ آنگسترومی هستند. کریستال‌های زئولیت در طبیعت وجود دارند اما می‌توان آن‌ها را در آزمایشگاه نیز سنتز کرد. با کنترل شرایط سنتز از قبیل دما و فشار و ترکیب شیمیایی می‌توان بسیاری از خواص زئولیت یعنی قطر حفرات، خواص جذب سطحی، توانایی تبادل یونی و رفتار کاتالیستی آن را کنترل کرد. ترکیب تخلخل زیاد و سطح ویژه بالا زئولیت را به یک گزینه بسیار مناسب در مصارف کاتالیستی و جاذب‌های شیمیایی تبدیل کرده است. نمایی از ساختار زئولیت در شکل ۳ آمده است.

 

شکل۳- نمایی از مورفولوژی زئولیت MFI

 

با توجه به اینکه سایز حفرات بیشتر زئولیت‌ها کمتر از قطر یک یون هیدراته نمکی است، غشایی که از این مواد تشکیل شده باشد قابلیت حذف کامل تمام یون‌های نمکی را دارد.

همچنین می‌توان غشاهای زئولیتی را با غشاهای پلیمری اسمز معکوس برای رسیدن به بازدهی بهتر ترکیب کرد.

با وجود تمام مزایایی که برای زئولیت‌ها گفته شد، (حتی در حداکثر میزان بازدهی خود) باز هم بازدهی غشاهای زئولیتی کمتر از بعضی از روش‌های تجاری شده اسمز معکوس است و لذا هنوز باید روی بهینه‌سازی غشاهای زئولیتی پژوهش کرد.

 

نانولوله‌های کربنی

این ساختارهای کربنی که به شکل صفحات گرافنی لوله شده هستند، خواص مکانیکی، الکترونیکی و حرارتی بی‌نظیری دارند، (برای مطالعه بیشتر درمورد خواص نانولوله‌های کربنی به مقاله نانومواد کربنی مراجعه نمایید). پیشرفت‌های اخیر در روش سنتز نانولوله‌های کربنی، دانشمندان را قادر ساخته تا ضخامت و طول نانولوله‌ها را به خوبی و به ترتیب تا ۱/۶ نانومتر و حدود سانتی‌متر کنترل کنند. این روش‌های سنتز کنترل شده باعث شده تا اکتشافاتی در زمینه عبور جریان بالایی از آب در راستای نانولوله‌ها صورت گرفته و آن‌ها را به گزینه‌هایی برای غشای اسمز معکوس تبدیل کند.

بااینکه مطالعات و شبیه‌سازی‌ها، جریان آب عبوری از نانولوله‌ها را، بالا پیش‌بینی و محاسبه کرده‌اند، اما قطر این نانوساختارها معمولا بزرگ‌تر از آن است که بتوانند به عنوان یک الک مولکولی به کار رفته و نمک‌ها را جدا کنند. لذا باید به روش‌هایی نظیر اصلاح سطح نانولوله‌ها به کمک نیروهای دافعه الکترواستاتیک به حذف نمک توسط این ساختار کمک کرد.

 

گرافن

گرافن یک ساختار تک لایه گرافیتی است که بخاطر خواص ویژه‌اش توجهات زیادی را در سال‌های اخیر به خود جلب کرده‌است. (برای مطالعه بیشتر درمورد گرافن و ویژگی‌های آن به مقاله نانومواد کربنی مراجعه نمایید). گرافن می‌تواند نسبت به موادی به کوچکی هلیم نفوذناپذیر باشد و لذا به عنوان یک غشا فوق نازک با قابلیت عبور جریان بالایی از آب و با سایز حفرات قابل کنترل و یک الک مولکولی می‌تواند مطرح بشود. همچنین، ورق‌های گرافنی تک یا چند لایه در ابعاد بزرگ سنتز شده‌اند که امکان‌پذیری استفاده از گرافن به عنوان یک غشا را در مقیاس بزرگ بیشتر می‌کند. همچنین مطالعات دیگری عبور گاز و یون‌ها را از بین حفرات غشای گرافنی بررسی کرده‌اند. حجم آب عبوری از گرافن بیشتر از حجم آب عبوری از غشاهای پلیمری موجود است و لذا گرافن می‌تواند به عنوان یک گزینه جدی برای غشا مطرح باشد هرچند مطالعات بیشتری در زمینه عبور آب و دفع نمک باید صورت بگیرد.

 

۴- روش‌های شیرین‌سازی آب بر پایه بار الکتریکی

روش الکترودیالیز و یون‌زدایی خازنی معروف‌ترین روش‌های شیرین‌سازی آب هستندکه بر مبنای بار الکتریکی کار می‌کنند. روش‌های جداسازی بر پایه بارالکتریکی هم آب شیرین‌تری تحویل می‌دهند و هم به فشارهای پایین‌تر و انرژی کمتری در مقایسه با RO و MSF نیاز دارند.

۱-۴- روش الکترودیالیز

این روش حدود نیم قرن پیش توسعه یافته و در سال ۱۹۵۳، یعنی ۱۰ سال قبل از اسمز معکوس تجاری شده‌است. این روش بیشتر برای شیرین‌سازی آب در مقیاس‌های کوچک می‌تواند کاربرد داشته باشد.

مکانیزم عملکرد یک واحد الکترودیالیز در شکل ۴ آمده است. نیروی محرکه انتقال یون‌ها در فرایند الکترودیالیز، اختلاف پتانسیل الکتریکی اعمال شده میان یک آند و یک کاتد است که باعث انتقال یون‌ها به خارج از محیط آبی و تصفیه آب می‌شود. هنگامی که یک میدان الکتریکی توسط الکترودها اعمال می‌شود، بار ظاهر شده در سطح آند مثبت و در سطح کاتد منفی می‌شود. میدان الکتریکی اعمال شده سبب مهاجرت یون‌های مثبت (کاتیون‌ها) به سمت کاتد (قطب منفی)و یون‌های منفی (آنیون‌ها) به سمت آند (قطب مثبت) می‌شود. در حین فرایند مهاجرت، آنیون‌ها از غشا‌های انتخاب‌پذیر آنیونی عبور می‌کنند اما توسط غشا‌های انتخاب‌پذیر کاتیونی بازگردانده می‌شوند. مشابه این عمل برای کاتیو‌ن‌ها در مواجهه با غشا‌های کاتیونی و آنیونی اتفاق می‌افتد. در نتیجه این اتفاقات غلظت یون در بخش مربوط به پساب افزایش و در بخش مربوط به آب شیرین کاهش می‌یابد. در انتها یک محلول رقیق عاری از یون (آب شیرین) و یک محلول تغلیظ شده به‌عنوان پساب از سیستم خارج می‌شود.

 

شکل۴-مکانیزم عملکرد یک واحد دیالیز

 

میزان جریان الکتریکی لازم برای دستگاه به غلظت نمک بخار ورودی بستگی دارد و لذا برای آب‌هایی با غلظت نمک بالا بازدهی الکترودیالیز بسیار کمتر از اسمز معکوس است.

تحقیقات زیادی بر روی افزایش انتخاب‌پذیری غشاها نسبت به یون‌ها، کاهش مقاومت الکتریکی، کاهش هزینه ساخت و افزایش مقاومت الکتریکی و مکانیکی غشا برای بهبود عملکرد غشا صورت گرفته است. هرچند با وجود پیشرفت‌های بسیاری که در اسمز معکوس صورت گرفته، الکترودیالیز خیلی کمتر و تنها به اندازه ۵/۶درصد در شیرین‌سازی آب دنیا سهم دارد. 

 

۲-۴- یون زدایی خازنی

در این روش از دو الکترود با سطح ویژه بالا استفاده می‌شوند. اعمال یک ولتاژ الکتریکی به این دو الکترود باعث می‌شود که یون‌های نمکی موجود در محلول به سمت الکترودها حرکت کرده و روی آن‌ها بنشینند و غلظت یون‌ها در آب کمتر شود. سپس آب شیرین خارج شده، یون‌های جذب شده از سطح الکترود زدوده شده و آب شور جدید وارد دستگاه می‌شوند. این روش به ویژه برای آب‌هایی که غلظت بالایی از نمک ندارند می‌تواند بسیار کارآمد باشد. در آب‌های با غلظت نمک بالا ظرفیت الکترودها می‌تواند محدود کننده بوده و فرآیند را از حالت اقتصادی خارج کند. شماتیک این فرآیند در شکل۵ آمده است.

 

شکل۵- شماتیک فرآیند یون زدایی خازنی: الف) آب ورودی در یون زدایی خازنی پیش از آنکه ولتاژ اعمال شود. ب) ولتاژ اعمال می‌شود و یون‌ها با توجه به پتانسیل اعمالی شروع به مهاجرت می‌کنند. ج) الکترودها با یون‌ها اشباع شده و جریان شیرین‌سازی شده به خارج از سلول یون زدایی خازنی هدایت می‌شود. د) ولتاژ اعمالی معکوس شده و لذا یون‌ها از روی سطح الکترودها واجذب می‌شوند که منجر به خروج پساب شده و سپس چرخه بعدی آغاز می‌شود.

 

افزایش سطح ویژه الکترودها می‌تواند کمک شایانی به جذب یون‌ها کند و در این زمینه تحقیقات زیادی بر روی به کارگیری مواد زیر صورت گرفته است:

نانولوله‌های کربنی/نانوالیاف، آیروژل‌های کربنی، ساختارهای مزوحفره‌ای کربن و کربن فعال

 

۵- فرآیندهای مبتنی بر تغییر فاز

این روش‌ها که عمدتا شامل همانMSF و MED هستند مزایایی نظیر مصرف انرژی مستقل از غلظت نمک و ظرفیت بالا دارند. این روش‌ها مصرف انرژی بالاتری از اسمز معکوس دارند (به دلیل گرمای بالای تبخیر آب). به همین دلیل روش‌های شیرین‌سازی حرارتی را تنها در نقاطی استفاده می‌کنند که هزینه انرژی پایین، انرژی اتلاف شده در دسترس ویا میزان شور بودن آب ورودی بسیار بالا باشد.

نانوساختارهای مختلف می‌توانند انتقال حرارت چگالش را بهبود دهند. یکی از راه‌های این امر استفاده از سطوح ابرآبگریز است. نانوساختارها همچنین می‌توانند به کنترل ترشوندگی و انتقال بخار کمک کنند. این کار از طریق غشاهای شیشه‌ای با میکروکانال‌های ابرابگریز دارنده لبه‌های نانومتری برای غشا شیرین‌سازی صورت می‌گیرد. این غشاها می‌توانند باعث عبور حجم بیشتری از جریان در مقایسه با غشاهای پلیمری شوند. همچین آبگریز بودن می‌تواند باعث کاهش رسوب روی غشاها شود.

 

۶- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

به دلیل افزایش نیاز جهانی به آب شیرین و پاکیزه، افزایش بهای انرژی و کاهش منابع آب در دنیا، توسعه روش‌های شیرین‌سازی آب اهمیت زیادی یافته است. با توجه به اینکه در حال حاضر فناوری‌های شیرین‌سازی به یک بلوغ نسبی رسیده‌اند، مواد نانوساختار می‌توانند نقش مهمی در تعیین نسل آینده این فناوری‌ها داشته باشند. کنترل شیمی و ساختار سطح در مقیاس نانو فرصت‌های جدیدی را برای درک پدیده‌های انتقال نانومقیاس در اختیار ما می‌گذارد. همچنین می‌توان از نانوساختارها برای درک اثرات میکروسکوپیک استفاده کرد. در این مقاله ما بر روی این جنبه‌ها و تاثیر نانومواد در فناوری‌های شیرین‌سازی تمرکز کردیم.

در دستگاه‌های اسمز معکوس، نانوساختارهایی نظیر نانولوله کربنی، زئولیت و گرافن می‌توانند نسل جدیدی از غشاهای صلب با اندازه حفرات مشخص و انتخاب‌پذیری بالا را معرفی کنند که کارایی بسیار بالاتری از غشاهای پلیمری فعلی دارند.

هرچند روش الکترودیالیز در مقیاس‌های کوچکتر کاربرد دارد اما روش یون زدایی خازنی روشی برای مقیاس‌های بزرگ است. استفاده از نانوالیاف و نانولوله‌های کربنی، آیروژل‌های کربنی، کربن فعال و ساختارهای مزوحفره کربنی می‌تواند تاثیر بسیار خوبی بر روی افزایش سطح فعال الکترود‌ها و بهبود رسانایی الکتریکی سیستم داشته باشد.

در روش‌های مبتنی بر تغییر فاز نیز استفاده از نانو ساختارها می‌تواند با بهبود ترشوندگی، چگالش و انتقال بهینه‌تر گرمای چگالش باعث توسعه روش‌های جدیدتر و کارآمدتر شود.

در نهایت می‌توان گفت که پیشرفت‌های سریع در درک پدیده‌های نانومقیاس و توسعه مواد نانوساختار با دید تجاری‌سازی، می‌تواند ما را مطمئن کند که درآینده، تقاضای جهانی به آب شیرین به روشی کارا، قابل اعتماد و پایدار پاسخ داده خواهد شد.

 

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

 

۷- منابع

[1]. Humplik, Tom, et al. "Nanostructured materials for water desalination." Nanotechnology29 (2011): 292001.

[2]. http://watech.ir/what-is-electrodialysis/

 

۸- پاورقی

[1]Membrane-based reverse osmosis

[2] thermal-basedmulti-stage flash

[3]multi-effect distillation

[4]Super lattices

[5] Nano shells

[6]Selective

[7] Capacitive deionization (CDI)

[8] Electro dialysis (ED)

[9] Reverse osmosis (RO)

[10]asymmetric