نجات آب با فناوری

گروه علم و فناوری خبرگزاری آنا- کندن چاه یکی از ابداعات بزرگ بشر برای دسترسی به آب بود. این منبع آب شیرین، برای زندگی جوامعی که 10 هزار سال پیش زندگی می‌کردند و جمعیت آنها رو به افزایش بودند، یک پیشرفت عظیم و حیاتی به شمار می‌آمد.

چاه تنها یکی از لیست‌های بلند بالای نوآوری در بخش فناوری‌های آب است که انسان‌ها برای ادامه حیات خود توسعه داده‌اند. شبکه‌های پیچیده لوله‌کشی آب و تاسیسات تصفیه آب امروزه ما را به اکسیر زندگی و صنعت مجهز کرده‌اند.

اما در سال‌های اخیر به دلیل کمبود آب، کسب‌وکارها دوباره به سمت بروز نوآوری‌های فناورانه برای تصفیه آب یا تولید آب شیرین سوق داده شده‌اند. نوآوری‌های جدید و نوظهور باید متناسب با زندگی قرن بیست‌و‌یکم ولی با شرایط کم‌آبی نظیر 10 هزار سال پیش باشد.

در بخش اول این گزارش، چندین فناوری را معرفی کردیم که با کمک آنها می‌توان از هوا آب تولید کرد، آب آلوده را تصفیه کرد و آب شیرین درست کرد.

در این بخش نیز می‌خواهیم به برخی فناوری‌های امروزی برای تولید آب بپردازیم که بسیار ارزان‌ قیمت هستند و به ویژه در کشورهای جهان سوم کاربرد دارند:

فناوری نانو در تصفیه

براساس گزارش سازمان جهانی سلامت، سالانه 1/6 میلیون نفر در جهان به دلیل آشامیدن آب‌های آلوده جان خود را از دست می‌دهند. در همین راستا محققان در هند از فناوری نانو به عنوان راهکاری برای تصفیه آب بهره می‌برند. با کمک این فناوری می‌توان میکروب‌ها و باکتری‌ها را از آب جدا کرد و با کمک نانوذراتی که در آب یون‌های نقره تولید می‌کنند، آلودگی‌ها را از بین برد.

محققان موسسه فناوری مادراس هند در این باره می‌گویند: «هر خانواده با هزینه بسیار کم حدود 2/5 دلار در سال می‌تواند آب آشامیدنی تمیز داشته باشد. ما با این کار جان هزاران نفر را نجات داده‌ایم».

این دستگاه نمونه اولیه‌ای است که توسط موسسه فناوری هند برای تصفیه آب با کمک فناوری نانو تولید شده است

این نوآوری نشانه آن است که دنیا به دنبال تصفیه آب ارزان قیمت است و این راهکارهای ارزان باید در سرتاسر جهان تجاری‌سازی شوند.

تصفیه غشائی

غشاها می‌توانند در آب نقش تصفیه و فیلتر کردن آن را ایفا کنند و این روزها به یکی از راهکارهای مدرن برای پروسه تصفیه آب تبدیل شده‌اند. منافذ غشائی که در تصفیه آب استفاده می کنند، معمولا 10 تا 20 نانومتر است؛ یعنی 3 هزار برابر کوچک‌تر از منافذ موی سر.

استفاده از روش تصفیه غشائی سال‌هاست که متداول شده است ولی هنوز هم یکی از منابعی باقی مانده است که دانشمندان روی توسعه آن کار می‌کنند.

به گفته مدیر توسعه جهانی آب در شرکت شیمیایی BASF، با این روش می‌توان به‌آسانی از آب شور آب شیرین و تمیز تهیه کرد. علاوه بر این، روش مذکور کاملا مقرون به صرفه است. این روش در پنج سال اخیر باعث شده که هزینه نمک‌زدایی از آب از یک دلار به ازای هر متر مکعب به 1/8 و 0/5 دلار برسد.

شیرین کردن آب دریا با قدرت خورشید

یکی از قدیمی‌ترین روش‌های نمک‌زدایی از آب شور دریا، تقطیر آن است که شامل جوشاندن آب دریا و سرد کردن بخار حاصل در لوله‌های متراکم می‌شود. اما حالا خورشید به کمک حل مشکلات این روش آمده است.

از آنجا که تقطیر آب به منظور نمک‌زدایی از آن مستلزم صرف انرژی فراوان است و نزدیک به نیمی از انرژی ورودی تنها صرف به جوش آوردن آب می‌شود، گروهی از محققان دانشگاه رایس در هوستون تگزاس روش جدیدی را بدین منظور به کار گرفته‌اند که نه تنها میزان انرژی مورد نیاز را کاهش می‌دهد، بلکه منبع مصرف انرژی را از برق به خورشید تغییر می‌دهد.

فناوری مورد استفاده برای این کار که نتیجه دو سال تحقیق و پژوهش است، NESMD نام دارد. در این روش جریان‌های آب گرم و سرد از طریق یک غشای نازک از هم جدا می‌شوند و بخار آب از طرف گرم به طرف سرد غشاء جریان می‌یابد. در نتیجه نمک آب از آن خارج می‌شود. استفاده از این روش مستلزم صرف انرژی کمتری است، زیرا برای استفاده از آن به آب گرم شده با استفاده از انرژی خورشید و نه آب جوش نیاز است.

محققان برای بهینه‌سازی این روش برخی انواع غشای تجاری موجود در بازار را با نانوذراتی که قادر به تبدیل نور به گرما هستند، ترکیب کردند. بنابراین غشای یاد شده قابلیت ایجاد گرما در درون خود در صورت تابش نور خورشید را پیدا می‌کند و دیگر نیازی به هدایت مداوم آب گرم به درون آن نیست.

با توجه به عدم نیاز به مصرف انرژی برای گرم کردن آب، تنها هزینه ضروری در این روش نصب پمپ برای هدایت آب است و با نصب چند صفحه خورشیدی بقیه امور انجام می‌شود. با توجه به بازدهی بالای این روش می‌توان از آن برای تهیه آب شیرین در بسیاری از نقاط جهان با استفاده از آب دریا استفاده کرد.

نمک‌زدایی از آب دریا با کمک مواد زیستی

همانطور که گفته شد، شیرین کردن آب دریا بسیار گران است و فناوری اسمز معکوس مستلزم انرژی بسیار زیادی است و حدود چهار کیلووات ساعت به ازای هر متر مکعب آب انرژی نیاز دارد.

یکی از ابتکاراتی که سنگاپور در این زمینه داشته، کارخانه نمک‌زدایی از آب دریاست که در سال 2005 آن را تاسیس کرد. در این کارخانه از روش همگونی زیستی استفاده می‌شود که از فرآیند زیستی در گیاهان کرنا یا مانگرو و ماهی شوری‌پذیر وجود دارد، تقلید می‌کند. کرنا یا مانگرو جامعه گیاهی شامل درختان و بوته‌هایی است که در زیستگاه‌های آبرفتی و آب شور ساحلی مناطق گرمسیری و زیر گرمسیری (عرض جغرافیایی زیر ۲۵ درجه) می‌رویند. این جوامع گیاهی سرمنشاء زنخیره‌های غذایی دیگر موجودات زنده منطقه است و اراضی مساعد و حاصلخیز وسیعی دارند. چنین محیطی به دلیل آن که در حد واسط اکوسیستم خشکی و اکوسیستم دریایی قرار گرفته، موجب به وجود آمدن زیستگاه مناسبی برای انواع جانوران آبزی و پرندگان شه‌اند. این جوامع گیاهی همیشه تأمین کننده بخشی از نیازهای اقتصادی انسانی است به طوری که در پاره‌ای نقاط، به خاطر برداشت‌های نادرست، بقای آنها که قبلاً به صورت توده‌های جنگلی انبوهی بوده، به خطر افتاده است.

از سوی دیگر ماهی شوری‌پذیر، ماهی‌هایی را می‌گویند که تحمل شوری‌ و نوسان‌های وسیع شوری را دارند. این دسته گیاهان و ماهی‌ها با مصرف مقدار کمی انرژی، آب استخراج می‌کنند.

یکی دیگر از رویکردهای جدید سنگاپور، استفاده از غشاهای زیستی تقویت شده با یک آکوا پورین است. آکوا پورین پروتئین‌هایی هستند که در غشای سلولی تعبیه شده‌اند و به طور انتخابی در داخل و خارج سلول‌ها، از ورود نمک‌ها به درون سلول جلوگیری می‌کند.

نظارت هوشمند

تخمین می‌زنند که تنها در کشورهای در حال توسعه هر روز 45 میلیون مترمکعب آب آشامیدنی هدر می‌رود. نشتی آب نه تنها برای شرکت‌ها هزینه دارند، بلکه فشار بر منابع آب و در نتیجه احتمال ورود مواد آلوده را افزایش می‌دهد.

مدیر توسعه کسب‌وکار بریتانیا و متخصص تشخیص نشت آب می‌گوید: «هزینه کردن میلیاردها دلار برای اضافه کردن آبگیر، تصفیه و پمپاژ آب در جایی که 60 درصد از آب آشامیدنی هدر می‌رود، اصلا صرف اقتصادی ندارد».

به همین دلیل، متخصصان به دنبال فناوری‌هایی برای مانیتور یا نظارت بر میزان مصرفی آب و پیدا کردن نشتی‌ها هستند. حسگرهای فشار و صوتی ابزارهای الکترونیکی هستند که به صورت بی‌سیم و بلادرنگ می‌توانند سیستم‌های آب‌رسانی را تحت نظر بگیرند و در این راستا، شرکت‌های مربوط به سازمان آب خیلی سریع نقاط نشتی آب را پیدا کنند.

در بخش آب، کلان‌داده یا Big Data نه تنها تکنیک‌های مدل‌سازی سنتی را به چالش می‌کشد، بلکه یک تغییر پارادایم اساسی ایجاد می‌کند.

در این رویکرد در عمل ما باید از سنسورها صحبت کنیم. سنسورها مجموعه داده‌ها را به مدت ۲۴ ساعت و هفت ثانیه فعال می‌کند. مثال پیش رو پروژه «نپتون» سنگاپور است. نظارت بر کیفیت آب ساحلی در زمان واقعی بخشی از کار است. این شبکه از هشت شناور هوشمند مجهز به آزمایشگاه شیمی تشکیل شده است که به طور استراتژیک در سراسر خط ساحلی سنگاپور مستقر شده است. با استفاده از فناوری بی‌سیم، داده‌ها سرپرستی، پردازش و بایگانی با مدل‌های هواشناسی، هیدرودینامیکی و سیستم کیفیت آب با سرویس پیش‌بینی در زمان واقعی ادغام می‌شوند. کاربران نهایی می‌توانند داده‌ها و نتایج مدل را از طریق تلفن‌های هوشمند بررسی کنند.

آبیاری هوشمند

تقریبا 70 درصد آب آشامیدنی جهان توسط صنعت کشاورزی مصرف می‌شود. از این رو، می‌توان با اعمال یک رویکرد هوشمندانه مصرف آب را مدیریت کرد. برای این کار باید از سیستم‌های دقیق آبیاری و الگوریتم‌های کامپیوتری و مدل‌سازی بهره برد.

در کالیفرنیا، استفاده از سنسورها در ترکیب با GPS، برنامه‌های موبایل و نرم‌افزارهایی که روی گوشی های هوشمند نصب شده‌اند، به کشاورزان کمک می‌کند تا بهینه‌سازی آبیاری را انجام دهند. سنسورها اطلاعات مربوط به داده‌های خاک را دریافت می‌کنند که به سرویس‌های ابری ارسال می‌شود. نرم‌افزار مقدار آب مورد نیاز برای تولید حداکثر عملکرد در هر منطقه آبیاری را محاسبه می‌کند.

این رویکرد شامل ابزارهای جدید و تکنولوژی‌های تحلیلی است. سیستم مدیریت هوشمند آبیاری فضای سبز، سیستمی است که با برنامه‌هایی که از قبل برای آن به طور ثابت یا از طریق کاربر تعریف شده است، گیاهان یا فضاهای سبز را در هر نوع موقعیت اقلیمی زمین متناسب با نوع نیاز آن گیاه آبیاری می‌کند. از جمله عللی که باعث گرایش به این سیستم در زمینه آبیاری فضاهای سبز، گلخانه‌ای و کشاورزی به سیستم‌های هوشمند آبیاری می‌شود اولاً صرفه‌جویی بالای آب در استفاده از این سیستم‌ها و دوماً انعطاف‌پذیری این نوع سیستم‌ها با شرایط گوناگون زمین و انطباق با نوع نیاز گیاه در میزان مصرف آب است .

با نصب این سیستم هوشمند به فضاهای سبز می‌توان پخش‌کننده‌های آب منصوبه در محیط سیستم آبیاری قطره‌ای و بارانی را کنترل کرد. در بخش فضای سبز و باغداری با تجهیز زمین‌های فضای سبز و باغ‌های مرکبات به تجهیزات آبیاری تحت فشار و نصب سیستم هوشمند آبیاری روی تجهیزات آبیاری تحت فشار می‌توان هوشمندسازی و مکانیزاسیون آبیاری را به انجام رساند.

کشاورزی به روشی هوشمندانه و غیر سنتی

استرالیا مزرعه منحصر به فردی در جهان ایجاد کرده است که برای پرورش محصولات به خاک، کود، سوخت فسیلی و آب شیرین نیاز ندارد. با توجه به بحران کم‌آبی و کمبود انرژی در سراسر جهان، این مزرعه می‌تواند چهره نوین کشاورزی در آینده باشد.

این مزرعه خورشیدی-قطره‌ای یا SunDrop نام دارد و می‌تواند در سال 17 هزار تن گوجه فرنگی تولید کند. این مزرعه می‌تواند به‌تنهایی 15 درصد محصول گوجه‌فرنگی این کشور را تولید می‌کند. آب شور از خلیج نزدیک مزرعه پمپ می‌شود و بعد از نمک‌زدایی با استفاده از انرژی خورشیدی با چرخه تجدیدپذیر به این مزرعه هیدروپونیک ارسال و به روش آبیاری قطره‌ای محصولات آبیاری می‌شوند.

مزرعه خورشیدی-قطره‌ای از سوخت‌های فسیلی، آب شیرین و خاک بی‌نیاز است و همچنین نیازمند هزینه‌های مالی گزاف کشاورزی و محیطی نیست.

در این مزرعه جادویی برای مبارزه با آفات از حشرات شکارگر استفاده می‌شود. ساخت این مزرعه خورشیدی-قطره‌ای 200 میلیون دلار هزینه در بر داشته است اما به گفته مالکان این هزینه به زودی جبران خواهد شد زیرا برای نگهداری آن به خرید سوخت‌های فسیلی نیاز نیست.

این روش پایدار تولید محصول کشاورزی موجب کاهش 26 هزار تن انتشار دی‌اکسیدکربن و کاهش سالانه آب مصرفی به میزان 180 استخر مسابقات شنای المپیک خواهد شد.

برج خورشیدی عظیم نیز روزانه موجب یکنواخت شدن دما برای محصولات گلخانه‌ای و نمک‌زدایی یک میلیون لیتر آب دریا می‌شود. این محصولات هر روز در بازار استرالیا عرضه می‌شوند.

مزارع SunDrop در استرالیا، بریتانیا و ایالات متحده وجود دارند و امید است به زودی در دیگر نقاط دنیا نیز از این فناوری استفاده شود.

شیرین کردن آب به روش هسته‌ای

امروزه کمبود آب شیرین در حالی است که منابع آب شور زمین بسیار فراوان است. یکی از پاسخ‌ها به این نیاز، شیرین‌سازی آب‌های شور سطح زمین است.

ظرفیت شیرین‌سازی آب در جهان تا سال ۲۰۱۳ به ۸۰ میلیون متر مکعب در روز رسید. امروزه بیش از ۱۷ هزار واحد شیرین‌سازی آب در جهان مشغول به کار هستند و بیشتر آنها از سوخت فسیلی استفاده می‌‌کنند. مراکز شیرین‌سازی آب دریا در کشورهایی مانند عربستان که نیاز جدی به آب شیرین دارند، از مهم‌ترین مصرف‌کنندگان انرژی هستند.

دو روش عمده برای شیرین‌سازی آب دریا وجود دارد که یکی روش MED است که اساس آن تبخیر آب شور و سپس تقطیر آن است و روش دوم اسمز معکوس یا RO که بر پایه تصفیه آب شور به وسیله عبور دادن آن از لایه‌های غشایی استوار است.

همانطور که گفتیم، امروزه در سطح جهان حجم زیادی از منابع آب دریا با استفاده از سوخت‌های فسیلی شیرین می‌شود و این به معنای افزایش سطح گازهای گلخانه‌ای جو زمین است. بنابراین این حوزه نیز همچون دیگر حوزه‌های استفاده از انرژی، نیاز به جایگزینی انرژی‌های تجدیدپذیر دارد. انرژی هسته‌ای می‌تواند به عنوان راهی موثر برای شیرین کردن آب دریا و نمک‌زدایی به کار رود.

در واقع انرژی هسته‌ای دریچه‌ای نو در حوزه شیرین‌سازی آب دریا گشود. با استفاده از نیروگاه‌های هسته‌‌ای این امکان وجود دارد که هر دو روش شیرین‌سازی مورد استفاده قرار گیرد، با این تفاوت که برای استفاده از روش MED باید از ابتدا این موضوع در سیکل ترمودینامیکی نیروگاه دیده شود اما در روش RO حتی بدون کوچک‌ترین تغییری در ساختار نیروگاه می‌توان از نیروی الکتریسیته تولید شده در نیروگاه برای شیرین‌سازی آب استفاده کرد.

علاوه بر این، شیرین‌سازی آب دریا به کمک انرژی هسته‌‌ای، از لحاظ اقتصادی نیز قابل رقابت با انرژی‌های فسیلی است. تجربه سه کشور قزاقستان، ژاپن و هند نشان می‌دهد که شیرین‌سازی آب با استفاده از انرژی هسته‌ای هزینه‌ای بین 0/7 تا 0/9 دلار در هر مترمکعب دارد که با هزینه شیرین‌سازی آب با سوخت فسیلی برابر است. این در حالی است که روش هسته‌‌ای هیچ‌ گونه آلودگی زیست‌محیطی به وجود نمی‌‌آورد و از منابع تجدیدناپذیری چون نفت و گاز استفاده نمی‌‌کند.

استفاده از انرژی هسته‌‌ای برای شیرین کردن آب در جهان گسترش یافته است اما درباره وضعیت آن در ایران باید گفت که در حال حاضر، فاز نخست واحد شیرین‌سازی آب نیروگاه بوشهر روزانه ۵ هزار متر مکعب آب را شیرین می‌‌کند و فاز دوم آن ۱۰ هزار متر مکعب؛ که معادل ۲۰ درصد از نیاز شهر بوشهر است. همچنین دو کارخانه دیگر با ظرفیت ۲۰۰ هزار متر مکعب در روز در نظر گرفته شده است که هنوز به بهره‌برداری نرسیده‌اند.

بازیافت آب از فاضلاب

یکی از پروژه‌های بسیار جالب توجه در زمینه تولید آب، پروژه Omniprocessor است که با دریافت فاضلاب، در خروجی خاکستر، آب و نیروی الکتریسیته تولید می‌کند. این پروژه یکی از اقدامات بشردوستانه بیل گیتس، بنیانگذار شرکت مایکروسافت است.

این ماشین عظیم‌الجثه توسط Janicki Bioenergy تولید شده است. این دستگاه با دریافت فاضلاب انسانی که کاربردی ندارد، آن را تبدیل به انرژی الکتریسیته، آب آشامیدنی و خاکستر می‌کند.

ابتدا فاضلاب وارد کوره‌ای می‌شود تا آب درون آن بخار شده و جدا شود. بخار حاصل از این مرحله وارد توربین بخار می‌شود و انرژی الکتریکی تولید می‌شود. سپس بخار آب در پروسه‌ خنک‌سازی تبدیل به آب آشامیدنی می‌شود. قرار بود این سیستم در داکار، پایتخت سنگال مورد استفاده قرار گیرد.

انتهای پیام/4056