امروزه استفاده از فناوریهای نمکزدایی آب در کشورهای مختلف رواج یافته است. این موضوع به ویژه در کشورهای غرب آسیا پررنگتر است. ایران نیز در حال توسعه آبشیرینکنها و نمکزدایی آب است. با این حال هزینه تمام شده نهایی به ازای هر لیتر آب بدست آمده زیاد است. به عبارتی هزینه آب نمکزدایی شده چالش اصلی آب شیرینکنها است.
رسوب نمک در سامانههای نمکزدایی خورشیدی مبتنی بر تبخیر سطحی نهتنها باعث کاهش دریافت نور و کاهش راندمان دستگاه میشود، بلکه بخشی از مسیر انتقال آب را نیز مسدود میکند. این موضوع باعث کاهش عمر مفید محصول شده و نیاز به سرویسهای دورهای را افزایش میدهد. این امر درنهایت باعث افزایش قیمت آب تصفیهشده میشود. در سالهای اخیر تلاشهای متعددی برای رفع این مشکل صورت گرفته که منتج به راهحلهای مختلفی شده است. اخیراً محققین و مهندسان در MIT و چین موفق به توسعه دستگاه نمکزدایی آب با بهرهگیری از انرژی خورشید شدند که مشکل رسوب املاح و طول عمر کم دستگاههای مشابه را برطرف کرده است. در این بخش خلاصهای از گزارش MIT مبنی بر موفقیت ساخت دستگاه نمکزدایی آب با استفاده از انرژی خورشید و بدون مشکل رسوب املاح با همکاری چین، ارائه شده است.
این فناوری حاصل مسیر تکاملی و توسعه محصولات پیشین است. درتلاشهای پیشین، محققین MIT موفق به توسعه دستگاه نمکزدایی آب با استفاده از انرژی خورشید شدند. اما در آن محصول، رسوب نمک باعث عدم کارایی مناسب دستگاه میشد. بنابراین هزینه آب تولید شده با توجه به سرویسهای دورهای بسیار بالا بود. در تلاش بعدی محققین توانستند با ایجاد گردش آب مناسب در محصول مانع از رسوب املاح و آسیب به دستگاه شوند. بنابراین طراحی جدید مانع ایجاد رسوب و تجمع املاح بر روی دستگاه شد اما نمکزدایی آب با سرعت نسبتاً کمی صورت میگرفت. بنابراین این دستگاه نیز با چالش مواجه بود و مورد استفاده قرار نگرفت.
در تلاش اخیر، این تیم معتقد است که با نوآوری به کار رفته، توانسته به نرخ مناسب تولید آب و نمکزدایی دست یابد به صورتیکه سیستم میتواند سریعتر از تلاشهای قبلی آب آشامیدنی را برای یک دوره طولانی بدون رسوب املاح تولید کند. پروفسور ژو از مرکز تحقیقات مهندسی انرژی خورشیدی و تبرید، موسسه تبرید و برودت، دانشگاه شانگهای جیائو تونگ چین میگوید: «ما در حال حاضر از روش انتقال مناسبتری استفاده میکنیم. در واقع گردش کوچک تولید شده در سیستم جدید تیم شبیه به همرفت “ترموهالین” در اقیانوس است». ساختار دستگاه به آب اجازه میدهد تا در گردابهای چرخشی، مشابه با گردش ترموهالین اقیانوس گردش کند. این گردش، همراه با گرمای خورشید، آب را تبخیر میکند. سپس بخار آب حاصل میتواند متراکم و به صورت آب خالص و قابل نوشیدن جمعآوری شود. از سوی دیگر نمک باقی مانده رسوب نکرده و به سمت بیرون دستگاه گردش میکند.
بطور دقیقتر در این دستگاه آب از یک لایه تبخیرکننده وجود دارد. این لایه بخار آب را از خود عبور داده و وارد محفظه زیرین میکند. در این محفظه به کمک چگالنده، بخار آب به مایع تبدیل میشود. در طراحی و ساخت محصول این امکان وجود دارد تا هر محصول از یک یا چند طبقه تشکیل شود. محققان کل طبقات را با زاویه انحراف مشخص در داخل یک ظرف بزرگتر و خالی قرار میدهند و سپس یک لوله را از نیمه بالایی جعبه به پایین در کف ظرف متصل کرده و دستگاه را بر سطح آب شور قرار میدهند.
در این ساختار، آب میتواند به طور طبیعی از طریق لوله به سمت بالا و سمت طبقات حرکت کند. انحراف دستگاه، همراه با انرژی حرارتی خورشید آب را به چرخش در میآورد. گردابهای کوچک به برقراری تماس آب با لایه تبخیر کمک میکند و اجازه رسوبگذاری را نمیدهد.
تیم تحقیقاتی دستگاه را در چندین نمونه اولیه با یک، سه و ده طبقه تهیه و عملکرد آنها را در آب با شوری متفاوت، از جمله آب دریا مورد آزمایش قرار داند. در نتیجه آزمایشات صورتگرفته محققان تخمین زدند که هر طبقه با وسعت یک مترمربع میتواند تا ۵ لیتر آب آشامیدنی در هر ساعت تولید کند و در عین حال برخلاف مدلهای پیشین، تجمع و رسوب نمک صورت نخواهد گرفت. بنابراین با توجه به طول عمر طولانی و عدم استفاده از انرژی برق برای نمکزدایی، تیم تحقیقاتی تخمین میزنند که هزینه کلی تولید آب توسط دستگاه ارزانتر از هزینه تولید آب لولهکشی در ایالاتمتحده خواهد بود.
تیم تحقیقاتی پیشبینی میکند که یک دستگاه در مقیاس مطرح شده بتواند به طور مجزا آب آشامیدنی کافی برای برآورده کردن نیازهای روزانه یک خانواده کوچک را تولید کند. همچنین به کمک این دستگاه میتوان در نقاط خارج از شبکه آبرسانی، از آب دریا یا سایر منابع آب شور برای تأمین آب شرب استفاده کرد.
گویهوا یو که سیستمهای پایدار ذخیره انرژی و آب را در دانشگاه تگزاس در آستین توسعه میدهد و در این تحقیق شرکت ندارد در خصوص دستگاه حاضر میگوید: «این یک رویکرد بسیار نوآورانه است که به طور موثر چالشهای کلیدی در زمینه نمکزدایی و تصفیه آب را کاهش میدهد. طراحی مدولار این دستگاه، باعث جذابیت استفاده از آن در استفاده خانگی میشود».
نتایج این تحقیق و آزمایشات مربوطه در قالب مقاله در سال ۲۰۲۳ منتشر شده است. علاقمندان برای مطالعه بیشتر میتوانند به این مقاله با عنوان Extreme Salt-resisting Multistage Solar Distillation With Thermohaline Convection در مجله Joule مراجعه بفرمایند.