مقایسه انرژی، هزینه و دفع پساب شور در آب شیرین‌کن‌های اسمز معکوس و حرارتی

در تأسیسات رأس‌الخیر در عربستان سعودی، روزانه بیش از یک میلیون متر مکعب آب شیرین از نمک جدا می‌شود. این تأسیسات عظیم، مانند هزاران تأسیسات دیگر در سراسر جهان، نشان‌دهنده نیروی صنعتی عظیمی است که برای تبدیل اقیانوس به آب آشامیدنی لازم است. با کاهش سفره‌های آب شیرین و رشد جمعیت، نمک‌زدایی دیگر یک فناوری خاص برای کشورهای نفتی خشک نیست؛ بلکه یک زیرساخت اساسی برای شهرداری‌های ساحلی در سراسر جهان محسوب می‌شود. با این حال، روشی که برای استخراج این آب استفاده می‌شود، اساساً شبکه انرژی و اکوسیستم دریایی یک منطقه را تغییر می‌دهد.[7]

ناوگان جهانی نمک‌زدایی تقریباً به طور کامل بر دو فرآیند فیزیکی متمایز متکی است: تقطیر حرارتی و جداسازی غشایی. روش‌های حرارتی، که عمدتاً شامل تقطیر ناگهانی چندمرحله‌ای (MSF) و تقطیر چنداثره (MED) هستند، آب دریا را می‌جوشانند و بخار خالص را به دام می‌اندازند. جداسازی غشایی، که تحت سلطه اسمز معکوس (RO) است، آب دریا تحت فشار را از طریق منافذ میکروسکوپی عبور می‌دهد که یون‌های نمک را به دام می‌اندازند. هر دو به نتیجه یکسانی می‌رسند، اما ردپای عملیاتی آن‌ها به طور ریشه‌ای متفاوت است.[1][4]

نمک‌زدایی حرارتی از چرخه طبیعی آب تقلید می‌کند. در یک کارخانه MSF، آب دریا گرم شده و از طریق مجموعه‌ای از محفظه‌های خلأ هدایت می‌شود. کاهش فشار باعث می‌شود آب فوراً به بخار تبدیل شود (یا به اصطلاح فلاش کند) و پساب شور سنگین باقی بماند. MED نیز به طور مشابه عمل می‌کند اما از مجموعه‌ای از لوله‌ها استفاده می‌کند که بخار حاصل از یک مرحله، آب مرحله بعدی را گرم می‌کند و یک حلقه کارایی آبشاری ایجاد می‌کند که بهره‌وری از گرمای اعمال شده را به حداکثر می‌رساند.[4]

انرژی مورد نیاز برای جوشاندن میلیون‌ها گالن آب سرسام‌آور است. تأسیسات حرارتی مقادیر عظیمی انرژی حرارتی مصرف می‌کنند که اغلب معادل ١٥ تا ٢٠ کیلووات ساعت بر متر مکعب آب تولیدی است. به دلیل این مصرف عظیم، این تأسیسات به ندرت به صورت واحدهای مستقل ساخته می‌شوند. در عوض، آن‌ها در کنار نیروگاه‌های سوخت فسیلی یا هسته‌ای مستقر می‌شوند تا از گرمای اتلافی با درجه پایین که از تولید برق خارج می‌شود و در غیر این صورت به جو تخلیه می‌شد، استفاده کنند.[4][5]

اسمز معکوس به جای رویکرد حرارتی، یک رویکرد مکانیکی را در پیش می‌گیرد. پمپ‌های فشار قوی، آب دریای پیش‌تصفیه‌شده را در برابر غشاهای نیمه‌تراوای پلی‌آمید فشار می‌دهند. منافذ این غشاها به طرز باورنکردنی کوچک هستند، کسری از اندازه یک تار موی انسان، که به مولکول‌های آب اجازه عبور می‌دهند در حالی که نمک‌های محلول، مواد معدنی و آلاینده‌های بیولوژیکی را مسدود می‌کنند. این جداسازی فیزیکی برای غلبه بر فشار اسمزی طبیعی آب دریا، نیازمند فشار هیدرولیکی شدیدی است.[1]

RO در مقایسه با جوشاندن حرارتی، از نظر مصرف انرژی بسیار کارآمدتر است. تأسیسات مدرن RO بین ٣ تا ٦ کیلووات ساعت برق در هر متر مکعب آب مصرف می‌کنند. ادغام دستگاه‌های بازیابی انرژی (که انرژی هیدرولیکی حاصل از خروج پساب شور پرفشار را جذب کرده و به آب ورودی منتقل می‌کنند) ردپای انرژی RO را در دو دهه گذشته بیش از پنجاه درصد کاهش داده است و آن را به انتخاب پیش‌فرض برای تأسیسات جدید تبدیل کرده است.[5]

واگرایی اقتصادی بین این دو فناوری آشکار است. هزینه‌های سرمایه‌ای برای تأسیسات حرارتی معمولاً بالاتر است، زیرا به اواپراتورهای عظیم ساخته شده از آلیاژ تیتانیوم و مس-نیکل نیاز دارند تا در برابر جوشاندن و پساب شور بسیار خورنده مقاومت کنند. تأسیسات RO به فلزکاری سنگین کمتری نیاز دارند، اما مستلزم سرمایه‌گذاری مستمر در تعویض غشا و سیستم‌های پیش‌تصفیه شیمیایی دقیق برای جلوگیری از رسوب‌گذاری آلی و معدنی بر روی سطوح ظریف غشا هستند.[3]

هزینه‌های عملیاتی در سناریوهای مستقل به شدت به نفع RO است. از آنجا که RO کاملاً با برق کار می‌کند، می‌تواند توسط شبکه‌های انرژی تجدیدپذیر تأمین شود و به شهرداری‌ها اجازه می‌دهد تا تأمین آب خود را از زنجیره‌های تأمین سوخت فسیلی جدا کنند. هزینه‌های عملیاتی حرارتی عمیقاً به در دسترس بودن گرمای اتلافی ارزان و مداوم گره خورده است، که آن را تقریباً منحصراً در مناطقی با تولید انبوه و متمرکز برق حرارتی، از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می‌سازد.[3][5]

صرف نظر از روش استخراج، هر تأسیسات نمک‌زدایی یک محصول جانبی بسیار غلیظ تولید می‌کند: پساب شور. به ازای هر لیتر آب شیرین تولید شده، تقریباً یک و نیم لیتر پساب فوق‌شور باید به محیط زیست بازگردانده شود. مدیریت این پساب، مهم‌ترین مانع زیست‌محیطی پیش روی این صنعت است، زیرا دفع نامناسب می‌تواند اکوسیستم‌های ساحلی محلی را ویران کند.[2][6]

پساب شور حرارتی در دماهای بالا تخلیه می‌شود، که اغلب چندین درجه گرم‌تر از دمای اقیانوس اطراف است. این آلودگی حرارتی می‌تواند حلالیت اکسیژن در آب را کاهش دهد و به حیات دریایی محلی فشار وارد کند. با این حال، تأسیسات حرارتی معمولاً با نرخ بازیابی پایین‌تری کار می‌کنند، به این معنی که پساب شور آن‌ها نسبت به پساب RO غلظت نمک کمتری دارد، که مجموعه‌ای متفاوت از مبادلات اکولوژیکی را ارائه می‌دهد.[2]

پساب شور RO در دمای محیط تخلیه می‌شود اما به طور قابل توجهی متراکم‌تر و شورتر است. از آنجا که سنگین‌تر از آب دریا است، پساب RO تمایل دارد در کف اقیانوس ته‌نشین شده و پخش شود و در صورت عدم پراکندگی مناسب، به طور بالقوه موجودات کف‌زی (Benthic) را خفه کند. علاوه بر این، پساب RO حاوی مقادیر کمی از مواد ضد رسوب و منعقدکننده‌هایی است که در مرحله پیش‌تصفیه دقیق استفاده می‌شوند و پیچیدگی شیمیایی را به تخلیه اضافه می‌کنند.[2][6]

مهندسی مدرن تا حد زیادی خطرات دفع را از طریق طراحی‌های پیشرفته خروجی کاهش داده است. پخش‌کننده‌های چندمنفذه با سرعت بالا در بستر دریا نصب می‌شوند و پساب شور را به سمت ستون آب پرتاب می‌کنند تا از اختلاط و رقیق‌سازی سریع در چند صد متری نقطه تخلیه اطمینان حاصل شود. چارچوب‌های نظارتی اکنون نظارت دقیق بر این مناطق اختلاط را الزامی می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که حیات دریایی فراتر از منطقه تخلیه فوری، بدون مزاحمت باقی می‌ماند.[2][6]

این صنعت در حال حاضر به طور قاطع به سمت اسمز معکوس در حال حرکت است، که ناشی از نیاز کمتر به انرژی و سازگاری آن با انرژی خورشیدی و بادی است. با این حال، نمک‌زدایی حرارتی در محیط‌های بسیار شور مانند خلیج فارس، جایی که شکوفایی‌های مکرر جلبکی و مواد جامد معلق بالا می‌توانند به سرعت غشاهای RO را آلوده کنند، همچنان یک دارایی حیاتی باقی می‌ماند و قابلیت اطمینان نیروی جوشاندن را بسیار جذاب می‌کند.[1][4]

در نهایت، انتخاب بین RO و نمک‌زدایی حرارتی یک دوگانه ساده از قدیمی در مقابل جدید نیست. این یک تصمیم پیچیده مهندسی سیستم‌ها است که توسط کیفیت آب ورودی، معماری شبکه برق و دسترسی به سرمایه دیکته می‌شود. با بلوغ این فناوری، تمرکز از استخراج اولیه به سمت سیستم‌های تخلیه صفر مایع (ZLD) در حال تغییر است، با هدف استخراج مواد معدنی ارزشمندی مانند لیتیوم و منیزیم از پساب شور، که به طور بالقوه یک جریان زائد را به یک منبع تبدیل می‌کند.[7]