طرق تحلية مياه البحر في محطات التحلية و أحدث طرق تحلية مياه البحر

كيف تتم  تحلية المياه ؟

تغطي المياه مساحة كبيرة من الأرض، تصل إلى حوالي ثلاثة أرباع سطح هذا الكوكب، لكن لا يمكننا القول أن كل هذه المياه عذبة أو صالحة للشرب، وفقًا للعديد من الإحصاءات، فإن نسبة المياه العذبة على الأرض هي حوالي 1٪ من إجمالي المياه على الأرض، ولكن مع وجود طلب كبير على المياه العذبة سواء للشرب أو لأغراض أخرى كالزراعة. 

أصبح البحث عن طرق تنقية المياه أكبر بكثير، ومن أهم هذه الطرق المبتكرة تحلية مياه البحر باستخدام محطات تحلية خاصة، وبفضل ذلك يتم إزالة الاملاح والملوثات الأخرى، بالإضافة إلى المعادن الثقيلة؛ لذلك سنناقش  في هذه المقالة أهم الطرق المتبعة في تحلية مياه البحر. 

أولا يجب ان نتعرف على مصادر المياه

أهم المصادر التي يستخدمها الناس لمياه الشرب مذكورة أدناه:

المياه السطحية: 

تقيد المسطحات المائية المياه من مناطق منفصلة لصبها في الأنهار والجداول، والتحكم في تدفقها، وتخزين المياه في السدود أو الخزانات الاصطناعية التي يتم بناؤها في المناطق المنخفضة، مثل الوديان، بحيث يمكن أن تتدفق المياه الجارية إليها، و في هذا الصدد، من المهم معرفة أن السدود مبنية في مناطق غير مأهولة بالسكان لتجنب أي احتمال لتلوث المياه من الأنشطة البشرية وأعمال مثل الزراعة والترفيه.

الأنهار والبحيرات:

 هناك العديد من المدن القريبة من الأنهار والبحيرات التي يتم إمدادها بالمياه مباشرة من هذه المصادر. 

الينابيع:

يقع مصدر المياه هذا في الأرض ويتدفق إلى السطح بالقوى الطبيعية دون الحاجة إلى مضخات.

الحواجز الترابية:

هي حواجز يتم بناؤها بالحفر في التربة لتشكيل سد ترابي مغلق مملوء بالمياه المتساقطة من منحدرات الجبال، مع العلم أن نوع التربة طيني بسبب قدرتها العالية على الاحتفاظ بالمياه دون السماح لها بالتسرب.

أهمية الماء في حياة الإنسان

 وإليك أهم النقاط التي تظهر أهمية الماء في حياتنا: 

• المساعدة على إفراز اللعاب الذي يساعد على هضم الطعام والحفاظ على صحة الفم. 

• تنظيم درجة حرارة جسم الإنسان حيث يفقد جسم الإنسان السوائل باستمرار من خلال التعرق أثناء العمل والنشاط.

• حماية الأنسجة والحبل الشوكي والمفاصل حتى يساعد الماء في الحفاظ على المفاصل والحبل الشوكي رطبة ونضرة.

• تساعد في إزالة الشوائب عن طريق التعرق والتبول والتبرز.

• تساعد في منع الإمساك.

• دعم عملية الهضم. 

• مساعدة الجسم على امتصاص العناصر الغذائية. 

• تساعد في التخلص من الوزن الزائد. 

• مقاومة المرض.

طرق تحلية المياه

التناضح العكسي

عندما يمر الماء عبر غشاءه الخارجي، تقوم خلايا الجسم بعملية التناضح، أو ما يسمى بعملية التناضح، لذلك تحاول الخلايا مساواة تركيز الملح العالي بالداخل مع تركيز الملح المنخفض بالخارج، لذلك تم استخدام هذه العملية لعملية للتناضح العكسي، عندما يتم وضع الماء المالح على جانب واحد من الغشاء شبه المنفذ، تتحرك جزيئات الماء عبر الغشاء المرشح تحت الضغط، بحيث لا تخترق الجزيئات الكبيرة بما في ذلك جزيئات الملح  المتواجدة في الغشاء وخلف الغشاء.

طرق تحلية مياه البحر في محطات التحلية و أحدث طرق التحلية

في المحيطات والبحار، يتطلب نقل المياه عبر غشاء الفلتر ضغطًا كبيرًا، لأن حجم كل ثقب ما هو إلا جزء صغير من حجم شعر الإنسان، مما يعني أنه يجب تشغيل سلسلة من المضخات بحيث تكون جميع المضخات ضغطت على سطح الماء.

أما بالنسبة للمشكلات التي تنشأ من استخدام هذه التقنية، فهى وجود كمية كبيرة من الماء المالح؛ نتيجة للضغط العالي في المضخات وخاصة المضخات الكبيرة؛ لذلك، يتم إضافة وحدات أخرى للتناضح العكسي، وأهمها: 

المعالجة الأولية:

والتي تتضمن استخدام مرشحات رملية أو حصوية متعددة الطبقات بحيث تعمل على حبس الطين والمواد العضوية الموجودة في الماء، ومن ثم توضع فلاتر الضغط لإزالة المواد الصلبة العالقة في الماء.

وحدة التناضح العكسي التي تستخدم ثلاثة فلاتر:

 فيعمل كل منها باستقبال المياه المالحة؛ لزيادة كمية المياه المالحة وبالتالي تقليل الطاقة المستخدمة.

المعالجة النهائية:

والتي تشمل تعديل وتعقيم الملح ونسبه، وذلك للتخلص من جميع رواسبه.

التناضح الأمامي
يستخدم التناضح الأمامي عملية التناضح الطبيعي؛ حيث تنتقل المادة من منطقة منخفضة التركيز إلى منطقة عالية التركيز، تستهلك هذه العملية طاقة أقل من التناضح العكسي، مما ينتج عنه نصف تكلفة التناضح العكسي، بدلاً من تطبيق تدرجات الضغط على المحلول تسمح هذه العملية للمحلول بالتحرك بشكل طبيعي.

عندما يتم تحلية المياه، تتحرك مياه البحر عبر الغشاء شبه المنفذ إلى محلول ملح الأمونيا عالي التركيز، ويبقى ملح البحر على الجانب الآخر من الغشاء، ثم يتم تسخين المحلول ليتبخر ملح الأمونيا فيه مما ينتج عنه ملح وهو متوفر، ولكن هذه التكنولوجيا جديدة تمامًا ويمكن تطبيقها على تحلية مياه البحر على نطاق واسع، لذلك فهي تتطلب تمويلًا وبحثًا لتحديد النقاط التي يمكن تحسينها وتقليل تكاليف الطاقة بها. 

الفصل الغشائي الكهربائي
يستخدم الفصل الغشائي الكهربائي غشاءًا في تشغيله، كما هو الحال في حالة التناضح العكسي. 

فهو يرسل شحنة عبر محلول لسحب أيونات المعادن إلى الصفيحة الموجبة على جانب واحد، وسحب أيونات أخرى (مثل الملح) إلى اللوحة السالبة الموجودة على من ناحية، ومن ناحية أخرى، يتم عكس الشحنة بشكل دوري؛ لتجنب التلوث الكبير للغشاء، يمكن بعد ذلك إزالة الأيونات الموجودة على كل لوحة لإنتاج ماء نقي، و تم تصنيع أغشية جديدة مقاومة للكلور  تعمل على إزالة الأيونات الضارة، بالرغم من أنها فعالة في تحلية المياه، إلا أنها غالية الثمن، بالإضافة إلى تكاليف الطاقة. 

التحلية الحراريّة

الترطيب الشمسى 

يمكن استخدام الترطيب الشمسي في الأماكن التي يوجد بها ماء مالح وضوء الشمس القوي، حيث تعمل حرارة الشمس على تبخير الماء المالح تحت الغطاء الشفاف، ثم يتكثف البخار في أسفل الغطاء ويتدفق إلى الحوض لتجميع المياه النقية.

تتطلب هذه العملية مساحة كبيرة من الأرض والطاقة لضخ المياه، وتجدر الإشارة إلى أن هناك عملية حرارية أخرى تستفيد من حقيقة أنه إذا تجمد الماء المالح، فلن تحتوي بلورات الجليد على الملح، ولكن في الواقع، لا تزال هناك كمية كبيرة من المياه المالحة غير المرغوب فيها المحصورة بين البلورات وتظل متبقية.

ترتبط كمية المياه العذبة المطلوبة لإزالة المياه المالحة بذوبان البلورات. 

ثانيا التقطير

أنواع التقطير في تحلية المياه:

تقطير عادي. 

التقطير الومضي ويكون متعدّد المراحل. 

التّقطير باستخدام الشمس. 

التقطير متعدد التأثير.

التقطير السريع المتعدد المراحل
تقوم عملية التقطير بإزالة الملح وأنواع أخرى من الملوثات في الماء، حيث تقوم عملية التقطير السريع متعدد المراحل بإعادة تسخين الماء الساخن عدة مرات، ويقل الضغط في كل مرة يعاد تسخينه فيها. 

حيث تقترن هذه المراحل مع محطات توليد الطاقة للاستفادة الكاملة من الحرارة المهدرة من هذه المحطات.

لذلك، بالمقارنة مع معدات التناضح العكسي، تتطلب معدات التقطير هذه طاقة أقل للتقطير، ولكن المشكلة الرئيسية في التقطير السريع متعدد المراحل هي أنه يتطلب كمية كبيرة من المياه المالحة من التناضح العكسي وتكاليف الصيانة مرتفعة للغاية. 

التقطير المتعدد الآثار

التقطير متعدد الأثار هو عملية بسيطة تشبه التقطير السريع متعدد المراحل، حيث يتم  بها تسخين المحلول الملحي لتدفق الماء النقي إلى الغرفة التالية، ويتم استخدام الطاقة الحرارية التي يحملها الماء المنتج للغليان مرة أخرى. 

فينتج عن ذلك مزيد من البخار، ولكن أفضل طريقة لاستخدام هذه الطريقة في تحلية المياه على نطاق صغير لأن تكلفتها مرتفعة للغاية بالنسبة للمنشآت الكبيرة.
محطات تحلية المياه

تستخدم محطات تحلية المياه لتنقية مياه البحر، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الصناعية والتطبيقات البلدية المختلفة، حيث يوجد ما يقرب من 12300 محطة تحلية موزعة في 155 دولة حول العالم، وتنتج هذه المحطات حوالي سبعة وأربعين مليون متر مكعب في اليوم، و تنتشر معظم هذه المحطات في منطقة الشرق الأوسط، حيث تمثل كمية محطات التحلية المنتشرة في الشرق الأوسط ما يقرب من ثلثي المحطات حول العالم، أو حوالي 60٪ من كمية المحطات، والسبب؛ في ذلك، أنه تعتبر مناطق الشرق الأوسط، وخاصة دول الخليج، من المناطق الأكثر جفافاً مقارنة ببقية المناطق لأنها لا تستطيع الحصول على مياه الشرب إلا بكميات محدودة للغاية.

طرق تحلية مياه البحر في محطات التحلية و أحدث طرق التحلية

فعلى سبيل المثال المملكة العربية السعودية هي أكبر منتج للمياه المحلاة في العالم تليها الولايات المتحدة الأمريكية حيث تنتج أكثر من 800 محطة لتحلية المياه حوالي مليون متر مكعب يوميًا، وهو ما يمثل 12٪ من إنتاج المياه المحلاة في جميع أنحاء العالم.

أول محطة لتحلية المياه

يُنسب الفضل في إنشاء أول محطة لتحلية المياه إلى الحكومة البريطانية في عدن عام 1899، والتي شيدتها لتوفير المياه الصالحة للسفن المتوقفة في ميناء البحر الأحمر.

 تم بناؤها لأغراض تجارية في عام 1930، في أوروبا بالقرب من فنزويلا، واستمرت محطات تحلية المياه في الانتشار حول العالم حتى عام 2005، لتصل إلى ما يقرب من 10500 محطة وتنتج أكثر من 55 مليار لتر من مياه الشرب يوميًا في جميع أنحاء العالم.

انتشار عملية تحلية المياه

تعتبر عملية التحلية من المشاريع الباهظة الثمن التي تحتاج إلى إنفاق الكثير من المال، لذلك لم تكن عملية التحلية منتشرة في الماضي، لكنها منتشرة في الوقت الحاضر بسبب التطور التكنولوجي وقلة مصادر مياه الشرب،  وتكون تكلفة محطة لشركة كارلسبارد  لتحلية المياه حوالي 2000 دولار أمريكي لكل 28 لترًا، وهو ضعف تكلفة مياه المقاطعة مقارنة بالطرق الأخرى حيث يمكنها استيراد المياه من منطقة العاصمة جنوب كاليفورنيا بنصف التكلفة.

 تتزايد عملية تحلية المياه باستمرار بسبب استنفاد الوصول إلى المياه في بعض المناطق، فضلاً عن الرغبة في الحصول على مياه أكثر موثوقية.

مكوّنات محطات تحلية المياه

يستخدم التناضح العكسي في محطات التحلية عن طريق نقل المياه من الأكثر تركيزًا إلى الأقل تركيزًا حيث أنه أفضل طريقة لتحلية المياه وإزالة ملوحتها.

حيث تتميز هذه الطريقة بسهولة التشغيل والمرونة في بدء المشروع والمرونة في استكماله.

كما أن لها بعض العيوب التي تنجم عن الكثير من رأس المال والتكلفة العالية، وتستغرق وقتًا طويلاً لبناء المحطة.

• مجموعة من المرشحات الدقيقة  و التي تكون مهمتها إزالة الجسيمات الصلبة التي يمكن أن تسبب الضرر. 

• غشاء التناضح العكسي. 

• مضخة للضغط العالي.

• وحدة استرجاع الطاقة مع ملحقاتها.

• فلتر لمعالجة المياه المحلاة. 

• خزانات الضغط. 

• وحدات إضافة الكيماويات. 

• نظام( CIP).

• خزان التخفيف.

• خزان عزل مياه البحر.

• خزان المياه المهملة.

آلية عمل محطات تحلية المياه

تتم عملية التحلية بالتناضح العكسي على عدة مراحل: 

المعالجة أولاً: يتم تنظيف مياه البحر من خلال المناخل التي تزيل الحطام الكبيرة، ثم تنتقل إلى المرحلة حيث يتم إضافة المواد الكيميائية التي تجمع الطحالب والأجسام الدقيقة وتجمعها معًا، لتسهيل الترسيب والإزالة، حيث يتم بعد ذلك ترسيب الرمل والغبار.

التناضح العكسي: يتم تطبيق ضغط مرتفع على المياه المعالجة، بحيث يتم نقل المياه إلى المياه العذبة من خلال المرشحات والأغشية النفاذة. 

التسليم: بعد اكتمال نقل المياه إلى المياه العذبة، يتم إضافة المواد الكيميائية إلى الماء لتثبيته.

عودة المياه إلى البحر: بعد اكتمال التحلية، يتم إرجاع المياه المالحة إلى البحر من خلال قنوات التصريف، حيث يتم خلط المياه العائدة تدريجياً مع مياه البحر لمنع المياه المالحة من التراكم عبر مدخل المحطة.

استخدام الطاقة الشمسية في تحلية المياه
عملية تحلية المياه بالطاقة الشمسية: هي العملية التي يتم فيها تحويل المياه المالحة إلى مياه شرب عن طريق تحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة، وهي عملية تشبه إلى حد بعيد دورة المياه الطبيعية على الأرض حيث يتم إنتاج المطر حيث يتم تسخين المياه المالحة بواسطة الشمس التي تنقل الحرارة من خلالها.

وذلك من خلال جهاز بسيط وغير مكلف يسمى (جهاز تحلية منزلي) ويكون على شكل هرم أو نصف كروي، ويتكون سطحه من البلاستيك أو الزجاج الشفاف مما يسمح لأشعة الشمس بالمرور إلى القاع.

وهو مغطى بطبقة سوداء تمتص أشعة الشمس وتحبسها، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الماء حيث  تنتقل المياه المالحة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية وهذا ما يسمى (عملية التبخر)، حيث ترتفع جزيئات الماء إلى الأعلى وتتجمع على سطح الزجاج أو البلاستيك أعلى غطاء الجهاز لتتسرب إلى وعاء تجميع منفصل، بينما الأملاح تبقى في القاع لأنها لا تتبخر.

تتناسب كمية مياه الشرب الناتجة عن هذه العملية مع مساحة سطح الجهاز، بحيث يزداد إنتاج المياه بزيادة السطح الذي يتجمع فيه بخار الماء. 

وفي المتوسط ​، كمية المياه العذبة من التحلية الشمسية تبلغ  هذه العملية لكل متر مربع من سطح التكثيف حوالي 3 لترات، وقد تتغير النسب بسبب الظروف الجوية وتغير موقع الشمس أثناء النهار. كمية المياه العذبة الناتجة عن التحلية باستخدام الطاقة الشمسية المباشرة الصغيرة نسبيًا وقد تكون مناسبة فقط للاحتياجات الشخصية والمنزلية، لذلك تم استخدام طريقة التحلية غير المباشرة لزيادة كمية المياه العذبة المنتجة، ويتم صنع هذه الطريقة من خلال الجمع بين نوعين مختلفين التقنيات، حيث تُستخدم الألواح الشمسية لجمع ضوء الشمس والطاقة الشمسية وطريقة تحلية محددة مثل التقطير متعدد المراحل (MSF) أو التبخر متعدد التأثيرات (MEE) أو التناضح العكسي (RO) وبالتالي، تعد الطاقة الشمسية من أهم مصادر الطاقة الحرارية المتجددة، والتي يمكن أن تساعد في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري كمصدر للطاقة وبالتالي خفض التكاليف المطلوبة لتشغيل محطات تحلية المياه.

تحلية المياه باستخدام جزيئات النانو والطاقة الشمسية
طور فريق مركز نويت نظامًا لتحلية المياه بالطاقة الشمسية يتم فيه تحلية المياه عن طريق فصل تيار الماء البارد والساخن بطبقة رقيقة، ويسحب بخار الماء عبر هذا الغشاء من الجانب الساخن إلى الجانب البارد عن طريق المرشحات.

وتصفية جزيئات الملح المذابة فيه. 

وقد تم تطوير هذا النظام من خلال إضافة المزيد من الرقائق وجسيمات الكربون النانوية السوداء، والتي تحول الطاقة الشمسية إلى حرارة، والتي تعمل أيضًا على تسخين الرقاقة المنفصلة، بحيث لا يحتاج هذا الغشاء إلى إمداد أكثر ثباتًا بالماء الساخن، وتستهلك العملية القليل من الطاقة؛ حيث أن الماء يحتاج فقط إلى أن يكون ساخنًا وليس غليانًا، وهذا النظام بكافة مكوناته هو موفر أساسي للطاقة حيث يعتمد على وجود الألواح الشمسية، وقد يحتاج أيضًا إلى مضخة لدفع الماء السائل خلال الإجراء.

 استطاع  هذا النظام زيادة كفاءته عن طريق زيادة تركيز ضوء الشمس لأنه استخدم عدسة لتركيز أشعة الشمس 25 مرة، وبلغت الطاقة المتحصل عليها 17.5 كيلووات لكل متر مربع من مساحة الإشعاع الشمسي المركّز، مما أدى إلى زيادة إنتاج المياه بحوالي ستة لترات لكل متر مربع في الساعة.