توسعه فن آوری آب شیرین کن, راهی برای مبارزه با کمبود آب

محدودیت آب شیرین در جهان و افزایش جمعیت از یک سو و آلودگی منابع سطحی و زیرزمینی از سوی دیگر نگرانی عمده ای را برای دست اندر کاران بخش آب به وجود آورده است

محدودیت آب شیرین در جهان و افزایش جمعیت از یک‌سو و آلودگی منابع سطحی و زیرزمینی از سوی دیگر نگرانی عمده‌ای را برای دست‌اندر کاران بخش آب به‌وجود آورده است. با توجه به این‌که در آینده موقعیت منابع آب بسیار در خطر است، باید برای مقابله با کمبود آب راه‌ کارهای اساسی را پیش‌بینی نمود.

خوشبختانه کسانی‌که در کنار دریا زندگی می‌کنند حداقل بر این باور هستند که می‌توان آب‌شور را تصفیه و از آن استفاده کرد ولی کسانی‌که از آب شور هم دور می‌باشند باید بیشتر از ساحل‌نشینان منتظر عواقب ناشی از کمبود آب باشند.

صحبت از شیرین کردن آب شور سال‌های سال است که نظر کارشناسان و متخصصین را به خود جلب کرده است، ولی تا امروز این حرکت به‌سختی و با هزینه‌های بسیار هنگفتی انجام شده است که برای کشورهائی که تاکنون با بحران مواجه نشده‌اند، مقرون به‌ صرفه نبوده و در این راه کمتر تلاش کرده‌اند.

گفتگو با مدیر عامل شرکت فن نیرو و در یک فضای کاملاً حرفه‌ای صورت گرفت: این حرفه‌ای بودن یکی از لحاظ قدمت این شرکت در بحث فرآیند آب شیرین‌کنی بود و دیگری از بعد اشراف مدیر عامل این شرکت به فرآیند آب شیرین‌کن شرکت فن نیرو و اولین شرکت دارنده دانش فنی طراحی و ساخت آب شیرین‌کن در ایران است که از سال ۱۳۷۳ فعالیت خود را آغاز نموده است به‌همین منظور با مهندس جهانگیر عسگری گفتگوئی ترتیب داده‌ایم که با هم می‌خوانیم.

● لطفاً در ابتدا ضمن ارائه تعریفی از آب شیرین کن‌ها، فرآیند آن را توضیح دهید؟

دستگاه آب شیرین‌کن به‌منظور انجام فرآیند آب شیرین‌کن (نمک‌زدائی) طراحی و ساخته می‌شود. فرآیند آب ‌شیرین‌کن فرآیندی است که به‌منظور خالص‌سازی آب دریا برای مصارف آشامیدنی و صنعتی به‌کار می‌رود و منجر به تصفیه آب‌شور و خارج شدن نمک و املاح از آن می‌گردد. به این فرآیند همچنین نمک‌زدائی نیز گفته می‌شود. این فرآیند می‌تواند به‌طرف مختلفی صورت گیرد، اما نتایج حاصل از همگی آنان این است که آب‌شور و بدمزه و یا آب دریا تبدیل به آب خالص می‌گردد که در مصارف خانگی و عملیات ضدعفونی سازی آب مورد استفاده قرار گیرد. این شیوه یعنی شیرین‌سازی آب دریا سریعاً تبدیل به یک منبع عظیم تولید آب آشامیدنی در بسیاری از مناطق جهان گردیده است.

● چه تعداد آب شیرین‌کن در حال حاضر در جهان فعال هستند و کدام قاره جهان بیشتر از این فرآیند استفاده می‌کند؟

طبق آمار سال ۱۹۹۲ بیش از ۷۵۰۰ آب شیرین‌کن در جهان موجود می‌باشد، که حدود ۰۶% آن‌ها در خاورمیانه قرار دارد و بزرگترین آب شیرین‌کن جهان با ظرفیت تولید ۴۸۵ هزار متر مکعب در روز در کشور عربستان‌سعودی وجود دارد. همچنین ۲۱% از آب شیرین جهان در کشور آمریکا تولید می‌شود. که بیشترین تولید در حوزه دریای کارائیب و فلوریدا قرار دارد.

با آن که ۰۷% از سطح کره زمین با آب پوشانده شده است، ولی فقط ۲/۵% آن آب شیرین است و ۹۷/۵% بقیه آب‌شور است. از بین آب‌های شیرین نیز در حدود ۰۷% آن به‌صورت یخ‌های دائمی و غیر قابل دسترس در قطب‌ها و قله کوه‌ها و مناطق مرتفع قرار دارد. از ۰۳% باقیمانده نیز فقط در حدود یک درصد آب در دسترس و قابل استفاده است و بقیه آن در سفره‌های زیرزمینی بسیار عمیق و دور از دسترس قرار دارد.

● بیشترین آب شیرین موجود در جهان در کدام منطقه واقع شده است و آیا برابری نسبی در توزیع آب‌های شیرین دنیا وجود دارد؟

توزیع آب شیرین در دسترس در جهان یک توزیع یکنواخت و هماهنگ نیست. همچنین به‌دلیل توزیع غیر یکنواخت جمعیت در جهان در برخی مناطق که جمعیت زیاد و میزان آب در دسترس کم دارند بحران آب به‌صورت جدی و تهدیدآمیز زندگی افراد را به مخاطره انداخته است. در بین قاره‌های جهان آسیا ۰۶% جمعیت و ۶۳% منابع آب شیرین، اروپا ۳۱% و ۸% منابع آب شیرین، آفریقا ۳۱% جمعیت و ۱۱% منابع آب شیرین، آمریکای جنوبی ۶% جمعیت و ۶۲% منابع آب شیرین، آمریکای شمالی ۸% جمعیت و ۵۱% منابع آب شیرین و اقیانوسیه ۱% جمعیت و ۵% منابع آب شیرین کل دنیا را دارا می‌باشند. بیشترین سرانه آب شیرین در دسترس در ایسلند به‌میزان ۶۰۹،۳۱۹ متر مکعب در سال و کمترین آن در کویت به‌میزان ۸ متر مکعب در سال می‌باشد.

● وضعیت منابع آبی منطقه خودمان یعنی خاورمیانه به‌چه صورت است؟ آیا در منطقه با بحرانی به‌نام بحران آب‌روبرو هستیم؟

یکی از شاخص‌های بحران آب، نسبت میزان آب مصرفی به‌کل منابع آب تجدید شونده در یک منطقه است و در صورتی که این نسبت از ۴% بیشتر باشد، آن منطقه در بحران آب به سر می‌برد.

آب در خاورمیانه همواره آثار مهمی در پی داشته است کمبود آب مصرفی یکی از مهمترین عوامل تنش‌ها و درگیری‌های درون منطقه‌ای است. منابع آب این منطقه اعم از نزولات جوی و آب‌های موجود در سطح و اعماق زمین از دو بعد کمیت و کیفیت مورد توجه است.

در خاورمیانه میزان بارش با دور شدن از دریای مدیترانه به سمت شرق و جنوب کاهش می‌یابد. در منتهی‌الیه شمال منطقه، در طول سواحل دریا سیاه و دریای خزر در تمام طول سال بارش‌های مکرر ادامه دارد. از میان کشورهای خاورمیانه تنها دو کشور ترکیه و لبنان فاقد مناطق فوق‌العاده خشک می‌باشند. در مقابل بیش از سه چهارم کل زمین‌های مصر و عربستان، مجموع نزولاتی که سالانه دریافت می‌کنند کمتر از ۲۰۰ میلیمتر است.

● وضعیت رودخانه‌های خاورمیانه به‌چه صورت است؟ آیا این رودخانه‌ها نمی‌توانند کفاف نیاز روزمره ساکنین کشور خود را بدهند؟

رودخانه‌ها از شریان‌های حیاتی آب منطقه هستند. در اکثر مناطق، رودخانه‌ها، رودهای فصلی هستند که مدتی از سال خشک می‌باشند. این مناطق شامل مرکز ایران، تمامی عربستان، فلات مرکزی سوریه، شبهه جزیره سینا و شمال آفریقا به جز دره و دلتای نیل می‌باشد.

رودهای دائمی را می‌توان در مناطقی یافت که دارای باران‌های بیشتری هستند. به‌گونه‌ای که می‌توان گفت محدوده این وردها به سواحل شمال غربی خلیج‌فارس و سواحل شرقی دریای مدیترانه محدود است. از میان این رودها فقط نیل، دجله و فرات را می‌توان با مقیاس جهانی رود بزرگ نامید.

کشورهای حاشیه جنوب خلیج‌فارس دچار کمبود آب اعم از نزولات آسمانی، آب‌های سطحی زیر زمینی هستند.

عوامل دیگری نظیر رشد جمعیت، سوی مدیریت، طرح‌های غر منطقی و آلودگی منابع بر دامنه بحران آب در این مناطق افزوده است. منابع آب کشورها را عمدتاً چشمه‌ها، آب‌های کمیاب زیرزمینی و گاه چشمه‌های زیر دریائی تشکیل می‌دهند. به‌همین‌ دلیل کشورهای این منطقه ناگزیر به شیرین‌سازی آب دریا، خریداری آب از دیگر کشورها و یا تأمین آب به روش‌های پرهزینه دیگری از این دست هستند.

در حوزه رودهای دجله و فرات با وجود آب مازاد بر نیاز، بحران آب وجود دارد. علت این بحران مشکل مدیریت تسهیم و طرح‌های توسعه است که به‌بروز اختلافات جدی بین سه کشور ترکیه، عراق و سوریه منجر شده است.

حوزه رود اردن دیگر حوزه رودخانه‌ای در خاورمیانه است که در بحران آب به سر می‌برد. روداردن در مقیاس جهانی رود کوچکی به‌شمار می‌رود ولی در منطقه جغرافیائی کوچکی بزرگترین مشکلات و منازعات سیاسی بر سر آب را به خود اختصاص داده است. طرف‌های درگیر بر منابع این رود اسرائیل، اردن، سوریه، لبنان و فلسطین می‌باشند که در حال حاضر اسرائیل با طرح تغییر مسیر رود بیشترین سهم را از ین رود به‌خود اختصاص داده است.

● وضعیت اقلیمی ایران به چه ترتیب است؟ حوضه‌های آبریز ایران چه وضعیتی دارند؟

از لحاظ اقلیم‌شناسی ایران جزء مناطق خشک جهانی طبقه‌بندی شده است. اما این سرزمین به‌علت گستردگی و تغییرات ارتفاع دارای اقلیم‌های مختلفی بسیار از خشک تا بسیار مرطوب را می‌باشد... بارندگی از بیش از ۲۰۰۰ میلیمتر در حوزه غربی دریای‌خزر تا کمتر از ۲۵ میلیمتر در کویرلوت متفاوت است. آمار متوسط بارندگی در ایران ۲۵۶ میلیمتر است. قسمت اعظم شرق و جنوب شرق ایران بارشی کمتر از ۱۰۰ میلیمتر در سال دارند. اقلیم خشک ایران حدود ۰۶% مساحت کشور را در بر گرفته است. حوضه‌های آبریز کشور به ۶ منطقه، ۳۰ حوضه اصلی و ۱۴۸ زیر حوضه تقسیم شده است. بارندگی در ایران بر اثر جریانات مرطوب مراکز کم فشار غربی است که به مدت هفت ماه از سال از اواسط مهر تا نیمه اردیبهشت در کشور صورت می‌گیرد.

● سرانه آب شیرین قابل دسترس در ایران چقدر است و این‌که با توجه به رشد فزاینده جمعیت در ایران، آیا در آینده با بحران روبرو نخواهیم شد؟

سرانه آب شیرین قابل دسترس در ایران ۱۹۷۰ متر مکعب در سال است. طبق پیش‌بینی‌ها این سرانه ۱۴۰۰ با جمعیت احتمالی ۱۰۰ میلیون نفر به ۱۰۰۰ تا ۱۳۰۰ متر مکعب در سال می‌رسد که از نظر معیارهای جهانی به‌عنوان وضعیت بحرانی شناخته شده است. البته امروزه با استفاده بهینه از منابع آب بسیاری از کشورها با سرانه کمتر از ۸۰۰ متر مکعب در سال نیز برنامه‌های توسعه ملی خود را به پیش می‌برند.

از ۹۲ میلیارد متر مکعب متوسط آورد رودخانه‌ای کشور ۵۱ درصد در ۱۲ رودخانه بزرگ کشور جاری است که ۲۱ درصد آن در سه رودخانه کارون، دز و کرخه می‌باشد.

تجمع آب‌های سطحی نیز در سه ناحیه جنوب و جنوبی‌غربی، شمال غرب و شمال کشور است. کیفیت آب‌های زیرزمینی با ملاحظه شاخص ”املاح محلول در آب“ در قسمت اعظم شرق، شمال شرقی، جنوب شرق و مرکز ایران بیش از ۱۰۰۰ تا ۱۵۰۰ میلیگرم در لیتر است که در مقایسه با میزان مناسب برای آب شرب (۰۰۵ میلی‌گرم در لیتر) وضع مطلوبی نیست.

مصرف آب کشور در سال ۱۳۸۰، ۱/۳۹ میلیارد متر مکعب بوده که بیش از ۰۹% آن مربوط به بخش کشاورزی بوده است. براساس ادامه روند کنونی در سال ۱۴۰۰ مقدار آب مورد نیاز ۱۳۰ میلیارد متر مکعب خواهد بود که تأمین این میزان آب از منابع آبی تجدیدپذیر کشور امکان‌پذیر نخواهد بود.

از مجموع ۹۳ میلیارد متر مکعب نیازهای آبی کشور ۳۲ میلیارد متر مکعب آن (۵۴ درصد) از طریق آب‌های سطحی و ۵۱ میلیارد متر مکعب آن (۵۵ درصد) از طریق آب‌های زیرزمینی تأمین می‌شود.

به‌رغم محدودیت ذاتی آب و توزیع نامناسب زمانی و مکانی آن در کشور، استفاده از این منابع ذاتاً با ارزش و غیر قابل جایگزین و به لحاظ سرمایه‌گذاری برای استحصال پرهزینه با کارائی بسیار پائینی انجام می‌گیرد.

● آب شیرین تنها در چه مناطقی از ایران قابل استفاده است و این‌که هم‌اکنون شرکت فن نیرو از طریق چه فرآیندهائی، امر آب شیرین‌کنی را انجام می‌دهد؟

شرکت فن نیرو و اولین شرکت دارنده دانش فنی طراحی و ساخت آب‌شیرین کن در ایران است. که می‌تواند با ظرفیت‌های مختلف آب شرب و یا آب‌مقطر صنعتی را در جهت نیاز مصرف کنندگان از منابع آب‌شور دریاها و آب‌های لب‌شور تأمین نماید.

آب شیرین‌کن در هر مکانی که منابع آب دارای املاح و ناخالصی‌ها، آب شور و آب لب‌شور وجود داشته باشد و منابع آب شیرین مورد نیاز محدود باشد قابل استفاده است. با توجه به وضعیت اقلیمی ایران بیشترین کاربرد آب شیرین‌کن در مناطق جنوبی کشور است.

به‌طور کلی ۵ فن‌آوری به منظور خارج کردن وزدودن نمک و دیگر مواد جامدازان وجود دارد که عبارتند از: تقطیر (Distillation)، اسمز معکوس (Reverse osmosis)، الکترودیالیز (Electro Dialysis)، تبادل یونی (XI) و نمک‌زدائی انجمادی (Freeze Desalination).

ساده‌ترن راه نمک‌زدائی از آب، تقطیر است، تقطیر عبارت است از تبخیر آب به‌وسیله افزایش دما یا کاهش فشار و سپس چگالش و میعان این بخار آب، در آب‌شیرین کن تقطیر به چند روش مختلف انجام می‌گیرد. تقطیر متراکم (Vapor Compression Multi Effect). (Distillation Distillation) و تقطیر چند مرحله‌ای (Multi Stage Flashdistillation) از آن جمله است، تقطیر بخار متراکم (VCD) خود به دو روش حرارتی (TVC) و مکانیکی (MVC) صورت می‌گیرد.

در سیستم TVC آب دریا ابتدا به لوله‌های کندانسور هدایت می‌شود. این آب بعد از گرمایش مقدماتی در کندانسور به دو بخش تقسیم می‌شود. قسمت اعظم آن که وظیفه سردسازی را برعهده دارد به دریا باز گردانده می‌شود و قسمت دوم که آب تغذیه است به اوپراتور هدایت می‌گردد. وظیفه آب خنک کن از بین بردن گرمای اضافی وارد شده به سیستم از طریق بخار محرک اجکتور است.

دراپواتور آب تغذیه از بالا اسپری می‌شود و به‌صورت لایه نازک به ردیف‌های متوالی افقی لوله‌های اپراتور می‌ریزد و دمان آن تا نقطه چوش بالا می‌رود. بخار تولیدی از روی یک قطره گیرسیمی عبور می‌کند تا قطرات آب شور از آن جدا شود. دمای اشباع بخار در اثر افت فشار اصطکاکی در جدا کننده کاهش می‌یابد. سپس این بخار به کندانسور می‌رود و به دو بخش تقسیم می‌گردد. بخش اول روی لوله‌ها کندانس می‌شود و بخش دوم را اجکتور دریافت می‌کند.

اما سیستم MVC به منبع گرمایش خارجی نیاز ندارد. این سیستم به‌وسیله انرژی الکتریکی تغذیه می‌شود و نیازی به کندانسور روی بخار تولیدی عمل می‌کند سپس بخار متراکم به لوله‌های اوپراتور هدایت می‌شود و بعد از سرد شدن کندانس شده و انرژی نهان خود را آزاد می‌کند که در مبدل حرارتی تغذیه بازیافت می‌شود.

فرآیند MED در مراحل متعددی صورت می‌گیرد. آب تغذیه در ابتدا از یک سری ظروف بدون مصرف انرژی حرارتی عبور کرده و فشار آن کاهش می‌یابد و طی عبور از مرحله اول به دمای جوش می‌رسد. فرآیند تبخیر روی سطح خارجی لوله‌های گرمایشی اتفاق می‌افتد و فرآیند چگالش در داخل لوله‌ها انجام می‌پذیرد.

در این فرآیند بخار وارد شده به دستگاه وارد مرحله اول می‌شود، آب دریا نیز وارد هر کدام از مراحل می‌شود، بخار وارده به مراحله اول سبب تبخیر آب دریا در آن مرحله می‌شود و پس از کندانس شدن از دستگاه بیرون می‌رود و در واقع یک سیکل بسته را طی می‌کند.

بخارات حاصل از تبخیر آب دریا در مرحله اول همانند یک منبع انرژی وارد مرحله دوم می‌شود و مقداری از آب دریای وارد شده به مرحله دوم را تبخیر می‌کند. این روند تا مرحله آخر ادامه می‌یابد.

هرچه قدر تعداد مراحل افزایش یابد میزان انرژی کمتری از منبع حرارتی استفاده می‌شود. در این سیستم معمولاً برای بالا بردن راندمان و همچنین ایجاد خلا از یک کمپرسور استفاده می‌شود. فرآیند تقطیر چند مرحله‌ای (MSF) بر پایه این اصل کار می‌کند که آب دریا با فشاری کمتری از فشار اشباع وارد اولین اواپراتور می‌شود و تبخیر می‌گردد، سپس چگالیده می‌شود و تا دماع اشباع و فشار محفظه خنک می‌گردد.

فرآیند اسمز معکوس (RO) یک فرآیند جداسازی غشاء است که در آن آب خالص موجود در محلول شور فشرده شده، در حین عبور از غشاء از مواد جامد معلق، نمک‌ها و املاح جدا می‌گردد. هیچ نوع تغییر فاز و انرژی حرارتی برای این روش مورد نیاز نمی‌باشد و اکثر انرژی مورد نیاز برای این فرایند به‌منظور فشرده‌سازی محلول آب شور مورد استفاده قرار می‌گیرد. غشاهای فرآیند RO عموماً به‌صورت فیبرهای موئی شکل پوک تو خالی و یا به‌صورت غشاءهای مسطح چند لایه‌ای ساخته می‌شوند. در فرآیند الکترودیالیز (ED) از دو نوع غشاء به‌طور همزمان استفاده می‌گردد. غشاء یون مثبت که فقط یون‌های مثبت را انتقال می‌دهد و غشاء یون منفی که تنها یون‌های منفی را عبور می‌دهد. این غشاءها متناوبا به‌طور موازی وارد آب تغذیه می‌گردند یک جریان الکتریکی از مایع عبور داده می‌شود. بنابراین یون‌های مثبت به سمت کاتد و سو‌ن‌های منفی به سمت آند پیش می‌روند. به این ترتیب آب عبوری از بین غشاها به دو جریان آب خالص و محلول غلیظ آب‌شور تبدیل می‌شود.

در فرآیند تبادل یونی یون‌های نامطلوب موجود در آب در حین عبور آب در امتداد مواد شیمیائی دانه‌دار که به آن‌ها رزین شیمیائی مبادل می‌گویند تبدیل به یو‌های مطلوب می‌گردند. هرچه میزان ناخالصی آب بیشتر باشد رزین‌های یونی بیشتری مورد نیاز است. در فرآیند نمک‌زدائی انجماد با انجماد آب‌شور کریستال یخی، آب خالص از نمک و املاح غیر قابل حل در آب جدا می‌گردد.

این فرآیند به‌صورت سنتی شامل ۵ مرحله پیش گرم نمودن آب تغذیه، ایجاد کریستال یخ در برفاب، جداسازی یخ از آب‌شور، شستن یخ و ذوب یخ می‌باشد. شرکت فن نیرو در حال حاضر توانائی ساخت انواع آب شیرین کن به روش MED را داراست و در حال حاضر مشغول به‌کار بر روی روش RO می‌باشد.

● اولین آب شیرین کن در ایران چه سالی در کجا ساخته شد؟ و این که تاکنون چه پروژه‌هائی با محوریت آب شیرین‌کنی در ایران به انجام رسیده است؟

ایران به‌دلیل شرایط اقلیمی و وضعیت کمبود آب‌های شیرین نیاز به تأمین آب شیرین برای مصارف شرب و صنعتی از آب‌های شور دریا یا آب‌های لب‌شور دارد و لازمه این امر استفاده از دستگاه‌های آب شیرین کن است. نیاز ایران به آب شیرین و راه‌های دسترسی به آن جزئی از تاریخ ایران باستان می‌باشد. هم‌اکنون دستگاه‌های آب شیرین‌کن زیادی در کشور نصب است که تعدادی ساخت داخل می‌باشد. تاریخ ساخت آب شیرین کن در ایران به سال ۱۳۷۰ بر می‌گردد.

در این سال مهندسان ایرانی مطالعه برای ساخت اولین دستگاه آب شیرین کن در ایران به روش مهندسی معکوس را شروع کرده و یک سال بعد اولین واحد آب شیرین‌کن ساخت داخل در جزیره کیش نصب و راه‌اندازی شد. در سال ۱۳۷۴ اولین قرارداد طراحی و ساخت داخل در جزیره کیش نصب و راه‌اندازی شد.

در سال ۱۳۷۴ اولین قرارداد طراحی و ساخت آب شیرین‌کن برای شرکت پتروشیمی خارک با ظرفیت تولید ۱۰۰۰ متر مکعب در روز به روش MED منعقد شد و در اسفند سال ۱۳۷۶ توسط شرکت کرمان خودرو تحویل دائم گردید.

لیست پروژه‌های انجام شده توسط مهندسین داخلی از سال ۱۳۷۴ تاکنون به شرح زیر است: فعالیت مهم و ارزشمند دیگری که به همت مهندسان ایرانی انجام می‌شود بهینه‌سازی و تعمیر آب‌شیرین کن‌های ساخت کشورهای خارجی قبل از سال ۱۳۵۷ است که در نوع خود دانش و توانائی بالائی را می‌طلبد و کار بسیار مشکلی است.

یکی از اهداف شرکت فن نیرو که سازنده این دستگاه‌های در داخل است همواره کاهش حجم، وزن و در نهایت کاهش هزینه‌های ساخت و حمل و نقل دستگاه‌های خود می‌باشد که این وظیفه بر عهده شاخص R&D این شرکت است.