امروزه دسترسي به آب آشاميدني سالم تبديل به ‌يکي از مسائل مهم جهان شده است. افزايش جمعيت نياز فزاينده به آب را در اقصي نقاط جهان نشان مي‌دهد و به همين دليل، دانشمندان در پي کشف راه‌هايي تازه براي شيرين کردن آب‌هاي شور، تصفيه‌ي دوباره‌ي فاضلاب‌ها و بازفرآوري آب‌هاي آلوده هستند. گروهي از پژوهشگران دانشگاه MIT با‌ يک رويکرد نوآورانه، سيستم نمک‌زدايي جديدي ابداع کرده‌اند که بر خلاف مدل‌هاي قبلي، نيازي به جداسازي ‌يون‌ها و مولکول‌هاي آب ندارد. در بيشتر آب شيرين‌کن‌ها، مولکول‌ها و ‌يون‌ها به وسيله‌ي فيلترهاي ويژه‌اي از راه جوشاندن آب و‌ يا به رسوب نشاندن مواد از‌ يکديگر جدا مي‌شوند. در اين روش‌ها انرژي نسبتاً زيادي مورد نياز است.

اما اين فرآيند نوين با اعمال شوک‌هاي الکتريکي به جريان آب باعث مي‌شود که دو جريان آب شور و آب شيرين ايجاد شوند که به سادگي مي‌توان آن‌ها را از‌ يکديگر جداسازي کرد. اين فرآيند در‌ يک مقاله با جزئيات کامل تشريح و در ژورنال علوم زيست محيطي و فناوري (Environmental Science and Technology Letters) منتشر شده است. نويسندگان اين مقاله مارتين بازانت (Martin Bazant)، استاد مهندسي شيمي ‌و رياضيات، اسون شلامبرگر (Sven Schlumpberger) دانشجوي کارشناسي ارشد، نانسي لو (Nancy Lu) دانشجوي دوره‌ي کارشناسي و متيو سوس (Matthew Suss) محقق دوره‌ي پسادکترا هستند.

بازانت مي‌گويد: «اين سيستم جداسازي نمک از آب کاملاً جديد و متفاوت است، و بر خلاف ساير آب شيرين‌کن‌ها،‌ يون‌ها و ذره‌ها را با روش جداسازي بدون غشا از‌ يکديگر مجزا مي‌کند. در سيستم‌هاي سنتي نمک‌زدايي از آب، مانند روش‌هاي اسمز معکوس و‌ يا الکترودياليز، غشا‌ها در واقع سد‌هاي انتخاب کننده هستند که به مولکول‌هاي آب اجازه‌ي عبور مي‌دهند ولي مانع عبور ‌يون‌هاي درشت سديم و کلر مي‌شوند. فرآيندي که ما ابداع کرده‌ايم ممکن است در ابتدا شبيه به الکترودياليز معمولي به نظر برسد، اما تفاوت‌هاي اساسي با آن دارد.»

در اين روش تازه که شوک الکترودياليز ناميده مي‌شود، ‌يک ديواره‌ي متخلخل شيشه‌اي در جريان آب قرار مي‌گيرد که دو طرفش با الکترودهايي پوشيده شده است. هنگامي ‌که جريان برق به الکترودها اعمال شود، جريان آب به دو بخش تقسيم مي‌شود که ‌يکي از اين بخش‌ها غني از نمک و ديگري حاوي نمک کمتري است. اگر جريان برق را تا حد معيني افزايش دهيم، ميان اين دو بخش موج ضربه‌اي ايجاد مي‌شود که به طور دقيق آب شيرين و عاري از نمک را از آب شور جدا مي‌کند. سپس به راحتي مي‌توان با‌ يک مانع فيزيکي ساده، اين دو مايع را به سمت مجراهاي مختلفي هدايت کرد.

بازانت توضيح مي‌دهد: «اگرچه در دو طرف ماده‌ي متخلخل، غشاهايي قرار گرفته اند، اما در حقيقت آب شور از درون آن‌ها عبور نمي‌کند و اين غشاها، به عنوان فيلتر براي جداسازي استفاده نمي‌شوند.‌يون‌هاي سديم و کلر شناور در آب به وسيله‌ي اعمال فشار خارجي‌ يا با استفاده از فيلتر‌ها برداشته نمي‌شوند، بلکه به واسطه‌ي دريافت شارژ الکتريکي، فقط به ‌يک طرف از مجراي حرکت آب هدايت مي‌شوند.» پديده‌ي جمع آوري نمک از سيال‌ها به وسيله‌ي ايجاد موج ذره چند سال قبل توسط گروه پژوهشي خوان سانتياگو (Juan Santiago) در دانشگاه استنفورد کشف شد. اما اين گروه از روش مذکور براي نمک‌زدايي از آب استفاده نکردند، بلکه هدفشان نمک‌زدايي‌هاي صنعتي از سيال‌هاي شيميايي بود. هم اکنون دستگاه کوچک موج ضربه‌ي آن‌ها در دانشگاه استنفورد موجود است.

اما در مقابل سيستم جديد شوک الکترودياليز فرآيندي مداوم دارد که مي‌تواند حجم قابل توجهي آب شور را به صورت جريان دائمي ‌شيرين کند. نکته‌اي که اين سيستم را متمايز مي‌کند، مهندسي ويژه‌ي آن است که کاملاً عملي و کارآمد است. شوک الکتروليز همچنين مي‌تواند آب‌هاي آلوده را نيز تميز کند. به دليل ميدان الکتريکي بسيار قوي که به ديواره‌ي متخلخل اعمال مي‌شود، طيف گسترده‌اي از انواع ‌يون‌ها، به ويژه‌ يون‌هاي سمي‌ و خطرناک، به سمت خاصي از جريان آب متمايل مي‌شوند و به همراه نمک، از جريان ايجاد شده‌ي آب سالم جدا مي‌شوند. حتي ممکن است ولتاژ قوي اعمال شده بتواند باکتري‌هاي درون آب را نيز از بين ببرد.

بازانت مي‌گويد: «توليدهاي پژوهشي  در هر دو حوزه‌ي آزمايشگاهي و آناليز نظري توضيح مي‌دهند که فرآيند ابداعي ما چگونه کار مي‌کند. گام بعدي طراحي‌ يک سيستم کوچک است که بتواند وارد مراحل مختلف تست‌هاي عملي شود.» شايد اين روش در ابتدا نتواند در مقياس‌هاي بزرگ با روش‌هاي معمول مانند اسمز معکوس رقابت کند، اما دست کم مي‌تواند کاربردهايي را در پاکسازي آب‌هاي آلوده بيابد. البته مزيت مهمي ‌که شوک الکترودياليز نسبت به ساير روش‌ها دارد اين است که اين سيستم نيازي به زيرساخت‌هاي پرهزينه و گسترده ندارد و به همين دليل براي استفاده در مکان‌هاي دورافتاده و‌يا براي مواقع ضروري که منابع آب به دليل طوفان ‌يا زلزله غيرقابل استفاده هستند گزينه‌ي مناسبي است.

مارتين بيشيول (Maarten Biesheuvel)، دانشمند ارشد مؤسسه‌ي فناوري آب هلند که البته در اين پژوهش‌ها شرکت نداشته است، مي‌گويد: «اين ابداع نقطه‌ي عطفي در حوزه‌ي نمک‌زدايي از آب‌هاي شور است، زيرا احتمال‌ها و موضوع‌هاي پژوهشي کاملاً جديدي را وارد اين حوزه کرده است. اين آب شيرين‌کن هم براي آب‌هاي درياها و هم براي آب‌هاي ناخالص، مانند آب‌هاي زير زميني قابل استفاده است.»

بيشويل اضافه مي‌کند: «اين گروه پژوهشي، طراحي کاملاً جديدي را ارائه داده‌اند و من اميدوارم که اين ابداع بتواند تلنگري را در حوزه‌ي آب به دانشگاه‌ها وارد کند. بسيار مشتاقم که هرچه زودتر ببينم اين سيستم در مقياس بزرگ ساخته شده و آب شيرين و قابل آشاميدن را در اختيار انسان‌ها قرار مي‌دهد.» در کل هزينه ي استفاده از آب شيرين کن‌ها بالاست و استفاده از منابع آب شيرين مقرون به صرفه‌تر است. اما از آن جا که بخش عمده‌ي آب‌هاي شيرين به صورت يخچال‌هاي طبيعي هستند و امکان بهره‌برداري از آن‌ها وجود ندارد. منابع ديگر آب‌هاي شيرين به سرعت در حال کاهش يافتن هستند. امروزه آب شيرين کن‌ها بيشتر در شهرهاي کنار درياهاي شور و بنادر و يا در ناوها و زيردريايي‌ها استفاده مي‌شوند.

کريستوفر گاسون (Christopher Gasson) از اطلاعات جهاني آب مي‌گويد: «بر اساس پيش‌بيني‌هاي سازمان ملل متحد، در سال 2025 چهارده درصد از جمعيت جهان با کمبود آب جدي مواجه مي‌شوند. به همين دليل لازم است از امروز به فکر يافتن مناسب‌ترين راه‌ها براي تبديل آب شور به آب شيرين باشيم تا بتوانيم اين کمبود را جبران کنيم.» امروزه کشورهاي عربستان صعودي، امارات متحده‌ي عربي و اسپانيا بيشترين سايت‌هاي آب شيرين کن را در جهان دارند.

جالب است بدانيد که فرآيند نمک‌زدايي از آب شور به طور طبيعي هم در چرخه‌ي آب اتفاق مي‌افتد. هنگامي ‌که آب‌هاي سطح اقيانوس تبخير مي‌شوند، اين بخارها عاري از نمک هستند. همچنين هنگامي ‌که آب درياها يخ مي‌زند، يخ‌ها بدون نمک هستند. البته مقادير ناچيزي نمک در يخ‌ها حبس مي‌شوند اما روي هم رفته اين مقدار در برابر نمک موجود در آب بسيار کمتر است. درختان حرا نيز به کاهش مقادير نمک در آب کمک مي‌کنند. ريشه‌ي اين درختان نمک موجود در آب را جذب مي‌کنند. برخي پرندگان مانند پليکان و پرستو غده‌اي بر روي منقارشان دارند که اجازه مي‌دهد آب را ابتدا تصفيه کنند و سپس بنوشند. درختان بيد و ني نيز به عنوان نمک زداهاي طبيعي معروف هستند. از اين گياهان براي ساخت درياچه‌هاي مصنوعي نمک زدا استفاده مي‌شود.

منبع:

Phys.org

MIT News

Electrodialysis: The Future Of Desalination?

منابع مفيد:

کتاب آشاميدني

باد

نمک زدايي از آب دريا

آب مقطر

تصفيه آبهاي سطحي

تصفيه آب در زير زمين

سختي آب

چگونه بد دار بودن نمک را تشخيص دهيم؟

تقطير

بخش زيست فعاليت‌هاي علمي

بخش شيمي فعاليت‌هاي علمي

نمک زدايي-ويکيپديا

Electrodialysis can provide cost-effective treatment of salty water from fracked wells

Environmental Science and Technology Journal (تخصصي)

Water Purification-Paper (تخصصي)

D. Deng et al (تخصصي)