محدودیت ۱.۰۶ کیلوواتساعت بر متر مکعب: قانون دوم ترمودینامیک چگونه سقف بازدهی شیرینسازی آب را تعیین میکند
قانون دوم ترمودینامیک حداقل انرژی مطلق برای جداسازی نمک از آب دریا را ۱.۰۶ کیلوواتساعت بر متر مکعب تعیین میکند. درک این مرز فیزیکی توضیح می‌دهد که چرا تاسیسات مدرن اسمز معکوس در حال نزدیک شدن به حداکثر بازدهی ممکن خود هستند.
به قلم مرجان موسوی
این خبر را به اشتراک بگذارید
به‌طور خلاصه
- قانون دوم ترمودینامیک یک محدودیت قطعی معادل ۱.۰۶ کیلوواتساعت بر متر مکعب برای جداسازی آب دریای استاندارد به آب شیرین و شورابه تعیین میکند.
- تاسیسات مدرن اسمز معکوس بین ۲.۵ تا ۳.۰ کیلوواتساعت بر متر مکعب انرژی مصرف می‌کنند که تقریباً دو تا سه برابر حداقل میزان تئوریک است.
- ناکارآمدی‌هایی مانند قطبش غلظت و مقاومت هیدرولیکی مانع از آن می‌شوند که تاسیسات هرگز به کف مطلق ۱.۰۶ کیلوواتساعت بر متر مکعب برسند.
در اواسط قرن بیستم، شیمی‌فیزیک‌دانانی که فشار اسمزی آب دریای استاندارد را در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد محاسبه می‌کردند، به یک مرز ریاضی قطعی دست یافتند: برای جداسازی یک متر مکعب آب خالص از یک محلول نمکی استاندارد با غلظت ۳۵ گرم در لیتر، دقیقاً به ۱.۰۶ کیلوواتساعت کار نیاز است. این رقم از عملکرد یک پمپ خاص یا نفوذپذیری یک پلیمر مشخص به دست نیامده است. این عدد مستقیماً از قانون دوم ترمودینامیک نشأت گرفته و نشان‌دهنده کار برگشت‌پذیری است که برای غلبه بر آنتروپی اختلاط لازم است.[1][7]
این آستانه ۱.۰۶ کیلوواتساعت بر متر مکعب به عنوان یک کف نامرئی در زیرساخت سیستم جهانی آب عمل میکند. در شرایطی که مناطقی از خاورمیانه تا کالیفرنیا برای تامین آب شهری به طور فزاینده‌ای به اقیانوس‌ها وابسته می‌شوند، شدت انرژی مورد نیاز برای حذف نمک، هزینه مالی و زیست‌محیطی بقا را تعیین میکند.[5]
برای درک این محدودیت، باید رفتار طبیعی آب را مشاهده کرد. هنگامی که آب شیرین و آب دریا توسط یک غشای نیمه‌تراوا از هم جدا می‌شوند، آب شیرین به طور خودبه‌خود به سمت بخش شورتر جریان می‌یابد تا آن را رقیق کند؛ فرآیندی که توسط افزایش آنتروپی هدایت میشود. این فرآیند فشار اسمزی تولید میکند.[1]
اسمز معکوس این فرآیند را به عقب می‌راند. پمپ‌های فشار قوی باید نیروی مکانیکی کافی برای غلبه بر فشار اسمزی طبیعی آب دریا اعمال کنند و مولکولهای آب را از طریق منافذ میکروسکوپی غشا عبور دهند، در حالی که یون‌های بزرگتر نمک در پشت آن باقی می‌مانند.[3][7]
برای آب دریای استاندارد، این فشار اسمزی طبیعی تقریباً ۲۷ اتمسفر یا نزدیک به ۴۰۰ پوند بر اینچ مربع است. غلبه بر این فشار برای استخراج یک متر مکعب آب شیرین به حداقل انرژی تئوریک معادل ۱.۰۶ کیلوواتساعت نیاز دارد.[2]
با این حال، حداقل‌های ترمودینامیکی بر اساس یک فرآیند کاملاً برگشت‌پذیر فرض می‌شوند که با سرعت بی‌نهایت کند و با اصطکاک صفر عمل میکند. تاسیسات واقعی آب‌شیرین‌کن باید روزانه میلیون‌ها گالن آب تولید کنند. آن‌ها آب را به سرعت از غشاها عبور می‌دهند که این امر به فشارهایی بسیار فراتر از خط پایه ۲۷ اتمسفر نیاز دارد و اغلب در فشارهای ۶۰ تا ۸۰ اتمسفر کار می‌کنند.[4]
تاسیسات پیشرفته و مدرن اسمز معکوس، مانند نمونه‌هایی که در اسرائیل و امارات متحده عربی فعالیت می‌کنند، برای فرآیند اصلی جداسازی بین ۲.۵ تا ۳.۰ کیلوواتساعت بر متر مکعب انرژی الکتریکی مصرف می‌کنند.[5]
این بدان معناست که این صنعت در حال حاضر با حدود دو تا سه برابر محدودیت ترمودینامیکی کار میکند. اگرچه این امر ممکن است ناکارآمد به نظر برسد، اما در قلمرو ترمودینامیک صنعتی، یک دستاورد مهندسی خیره‌کننده محسوب میشود. تاسیسات اولیه شیرینسازی حرارتی در دهه ۱۹۷۰ به بیش از ۱۰ تا ۲۰ کیلوواتساعت بر متر مکعب انرژی نیاز داشتند.[4][6]
شکاف باقی‌مانده بین ۲.۵ کیلوواتساعت بر متر مکعب و کف ۱.۰۶ کیلوواتساعت بر متر مکعب، عمدتاً توسط واقعیت‌های فیزیکی مصرف میشود که نمی‌توان آن‌ها را به طور کامل با مهندسی از بین برد. یکی از عوامل عمده، قطبش غلظت است. با عبور آب شیرین از غشا، لایه‌ای بسیار غلیظ از نمک روی سطح غشا انباشته میشود که به طور موضعی فشار اسمزی را که پمپ‌ها باید بر آن غلبه کنند، افزایش می‌دهد.[3]
علاوه بر این، آب باید از مسیرهای پرپیچ‌وخم خود غشای پلیمری عبور کند. غلبه بر این مقاومت هیدرولیکی نیازمند انرژی است. پمپ‌ها و موتورهایی که سیستم را به حرکت درمی‌آورند نیز دارای ناکارآمدی‌های مکانیکی و الکتریکی ذاتی هستند، هرچند پمپ‌های فشار قوی مدرن با بازدهی بیش از ۹۰ درصد کار می‌کنند.[7]
مهم‌ترین جهش در کاهش شکاف تا محدودیت ترمودینامیکی، پذیرش گسترده دستگاه‌های بازیابی انرژی در اواخر دهه ۱۹۹۰ و اوایل دهه ۲۰۰۰ بود. شورابه دفع شده توسط غشا همچنان تحت فشار بالایی قرار دارد. این دستگاه‌ها انرژی جنبشی را جذب کرده و مستقیماً به آب ورودی منتقل می‌کنند که این امر مصرف کل انرژی را تا ۶۰ درصد کاهش می‌دهد.[3][5]
از آنجا که اسمز معکوس مدرن در حال حاضر به مرزهای عملی قانون دوم ترمودینامیک نزدیک شده است، پژوهشگران هشدار می‌دهند که دوران کاهش‌های عظیم و نمایی در مصرف انرژی آب‌شیرین‌کن‌ها به پایان رسیده است. از آنجا که این منابع مشتقات ترمودینامیکی و بررسی‌های فنیِ داوری‌شده هستند، به جای نقل‌قول‌های مستقیم انسانی بر اثبات‌های ریاضی تکیه دارند، اما اجماع در سراسر ادبیات علمی قطعی است: این کف قابل شکستن نیست.[1][2][8]
مهندسان سیستم‌محور به جای دنبال کردن دستاوردهای حاشیه‌ای در نفوذپذیری غشا، تمرکز خود را به زنجیره گسترده‌تر زیرساخت معطوف کرده‌اند. این امر شامل ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر متغیر به طور مستقیم در عملیات تاسیسات است که به آن‌ها اجازه می‌دهد تولید را بر اساس در دسترس بودن انرژی خورشیدی و بادی در سطح شبکه، افزایش یا کاهش دهند.[6]
اصطلاحات کلیدی
- فشار اسمزی
- حداقل فشاری که باید به یک محلول وارد شود تا از جریان رو به داخل حلال خالص آن از طریق یک غشای نیمه‌تراوا جلوگیری کند.
- اسمز معکوس
- یک فرآیند تصفیه آب که از یک غشای نیمه‌تراوا برای جداسازی مولکولهای آب از نمک و سایر ناخالصی‌ها با اعمال فشاری بیشتر از فشار اسمزی استفاده میکند.
- قانون دوم ترمودینامیک
- یک قانون فیزیکی که بیان میکند آنتروپی کل یک سیستم منزوی هرگز در طول زمان کاهش نمی‌یابد و حداقل انرژی لازم برای جداسازی مواد مخلوط را تعیین میکند.
- قطبش غلظت
- انباشت یون‌های نمک دفع شده روی سطح غشا در طول اسمز معکوس که به طور موضعی فشار اسمزی را افزایش داده و بازدهی را کاهش می‌دهد.
- دستگاه بازیابی انرژی
- تجهیزات مکانیکی که فشار بالای جریان شورابه دفع شده را جذب کرده و آن را به آب ورودی منتقل می‌کنند و بار الکتریکی روی پمپ‌های اصلی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند.
پرسش‌های متداول
چرا نمیتوانیم غشای بهتری اختراع کنیم تا انرژی کمتری مصرف شود؟
محدودیت ۱.۰۶ کیلوواتساعت بر متر مکعب توسط خواص شیمیایی مولکولهای نمک و آب تعیین میشود، نه غشا. حتی یک غشای کاملاً بدون اصطکاک نیز برای غلبه بر فشار اسمزی طبیعی به این حداقل انرژی نیاز دارد.
آیا دمای آب دریا بر انرژی مورد نیاز تاثیر می‌گذارد؟
بله. آب سردتر گرانروی بیشتری دارد و برای عبور از منافذ غشا به فشار مکانیکی کمی بیشتر نیاز دارد که مصرف انرژی را به طور جزئی افزایش می‌دهد.
این فرآیند در مقایسه با تصفیه آب رودخانه چگونه است؟
شیرینسازی آب انرژی بسیار بیشتری مصرف میکند. تصفیه و توزیع آبهای سطحی استاندارد معمولاً به کسری از یک کیلوواتساعت بر متر مکعب نیاز دارد که شیرینسازی آب دریا را به یک جایگزین بسیار پرمصرف تبدیل میکند.
بررسی عمیق دیدگاه‌ها
پژوهشگران ترمودینامیک
تمرکز بر محدودیت‌های ریاضی مطلق آنتروپی و مرزهای فیزیکی فرآیندهای جداسازی.
برای شیمی‌فیزیک‌دانان و پژوهشگران ترمودینامیک، مسئله شیرینسازی آب در سطح تئوریک اساساً حل شده است. آنتروپی اختلاط تعیین میکند که جداسازی نمک و آب به مقدار ثابتی از کار برگشت‌پذیر نیاز دارد. آن‌ها محدودیت ۱.۰۶ کیلوواتساعت بر متر مکعب را نه به عنوان یک هدف مهندسی برای شکستن، بلکه به عنوان یک قانون فیزیکی مطلق شبیه به سرعت نور می‌بینند. کار آن‌ها بر محاسبه دقیق این کف تحت شرایط متغیر دما و شوری متمرکز است تا خط پایه‌ای برای معیارهای بازدهی صنعتی فراهم کنند.
مهندسان زیرساخت
تمرکز بر محدودیت‌های عملی مانند قطبش غلظت، اصطکاک و مبادلات اقتصادیِ کار کردن در نزدیکی محدودیت تئوریک.
مهندسانی که تاسیسات دنیای واقعی را طراحی می‌کنند، کف ترمودینامیکی را می‌پذیرند اما بیشتر نگران موانع عملی هستند که عملیات را در سطح ۲.۵ کیلوواتساعت بر متر مکعب نگه می‌دارد. آن‌ها اشاره می‌کنند که کار کردن در نزدیکی محدودیت ۱.۰۶ کیلوواتساعت بر متر مکعب مستلزم اجرای فرآیند با سرعت بی‌نهایت کند و با غشاهای بی‌نهایت بزرگ است که از نظر اقتصادی غیرقابل دوام است. تمرکز آن‌ها همچنان بر بهینه‌سازی دستگاه‌های بازیابی انرژی، کاهش گرفتگی غشا و مدیریت مقاومت هیدرولیکی است که ذاتاً در طول تولید با حجم بالا انرژی را هدر می‌دهد.
اقتصاددانان انرژی
استدلال می‌کنند که چون کف انرژی ثابت است، راه‌حل در اتصال شیرینسازی آب به برق تجدیدپذیر ارزان و فراوان است، نه دنبال کردن دستاوردهای حاشیه‌ای در بازدهی.
اقتصاددانان انرژی به کاهش شکاف بین عملکرد فعلی و محدودیت ترمودینامیکی نگاه می‌کنند و نتیجه می‌گیرند که دوران دستاوردهای عظیم در بازدهی اسمز معکوس به پایان رسیده است. از آنجا که کف فیزیکی قابل شکستن نیست، آن‌ها استدلال می‌کنند که سرمایه باید از بهبودهای حاشیه‌ای غشا دور شده و به سمت ادغام در سطح سیستم هدایت شود. با اتصال مستقیم تاسیسات آب‌شیرین‌کن به انرژی متغیر خورشیدی و بادی، هزینه مالی و زیست‌محیطی انرژی مصرفی می‌تواند به حداقل برسد، حتی اگر کیلوواتساعت مطلق مورد نیاز ثابت بماند.
- مهندسان زیرساخت
- تمرکز بر محدودیت‌های عملی مانند قطبش غلظت، اصطکاک و مبادلات اقتصادیِ کار کردن در نزدیکی محدودیت تئوریک.
- پژوهشگران ترمودینامیک
- تمرکز بر محدودیت‌های ریاضی مطلق آنتروپی و مرزهای فیزیکی فرآیندهای جداسازی.
- اقتصاددانان انرژی
- استدلال می‌کنند که چون کف انرژی ثابت است، راه‌حل در اتصال شیرینسازی آب به برق تجدیدپذیر ارزان و فراوان است، نه دنبال کردن دستاوردهای حاشیه‌ای در بازدهی.
دیدگاه‌هایی که این گزارش پوشش نداده
- زیست‌شناسان دریایی
- جوامع ساحلی
منابع
پوشش منابع
8 منبع
3 دیدگاه شناسایی‌شده
- [1]ACS Publicationsپژوهشگران ترمودینامیک
Derivation of the Theoretical Minimum Energy of Separation of Desalination Processes
مطالعه در ACS Publications → - [2]DESWATERپژوهشگران ترمودینامیک
Comparative study on the methods of calculating theoretical minimum energy requirement for desalination
مطالعه در DESWATER → - [3]Energy (Elsevier)مهندسان زیرساخت
Second law analysis of reverse osmosis desalination plants: An alternative design using pressure retarded osmosis
مطالعه در Energy (Elsevier) → - [4]PMCمهندسان زیرساخت
Desalination Processes' Efficiency and Future Roadmap
مطالعه در PMC → - [5]U.S. Department of Energyمهندسان زیرساخت
Survey of Available Information in Support of the Energy-Water Bandwidth Study of Desalination Systems
مطالعه در U.S. Department of Energy → - [6]MDPIاقتصاددانان انرژی
An Economics-Based Second Law Efficiency
مطالعه در MDPI → - [7]Stanford Universityپژوهشگران ترمودینامیک
Energetic Demands of Water Desalination by Reverse Osmosis
مطالعه در Stanford University → - [8]تیم سردبیری کوهستان
تحلیل تیم سردبیری کوهستان
مطالعه در تیم سردبیری کوهستان →
بیشتر در محیط زیست
مشاهده همه →مکانیک آبخوان
نسبت ۱ به ۴۰: رابطه گیبن-هرتزبرگ چگونه نفوذ آب شور به آبخوان‌های ساحلی را کنترل میکند
9 منبع
بحران اقلیمی
داده‌های کوپرنیک: دبی رودخانه‌های اروپا به کمترین سطح تابستانی از سال ۱۹۹۲ رسید
8 منبع
مدیریت منابع آب
تامین ۳.۲ میلیارد مترمکعب حقابه زیست‌محیطی دریاچه ارومیه در سال آبی گذشته
2 منبع
بحران آب
ورود سامانه بارشی جدید به کشور؛ امید به جبران خشکی آغاز سال آبی در ۲۳ استان
2 منبع
نظرات
هر زاویه. هر روز.
اخبار محیط زیست با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاه‌ها، هر روز و رایگان.