استراتژی تشدید فرآیند (PIS) به عنوان یک دستورالعمل جالب برای متحول کردن صنعت فرآیند از نظر بهبود کارایی و پایداری در حال ظهور است. مهندسی غشاء به عنوان یک کاندیدای قوی برای پیاده سازی PIS ظاهر شده است. مهم‌ترین پیشرفت در نمک‌زدایی مشاهده شده است که در آن کاهش قابل‌توجهی در تقاضای کلی انرژی، ردپای زیست‌محیطی و خطرات فرآیند قبلاً انجام شده است. پیشرفت‌های اخیر در مهندسی غشاء، صنعت نمک‌زدایی را به مواد خام و تولید انرژی شکل می‌دهد که در آن آب شیرین به عنوان محصول جانبی تولید می‌شود. مطالعه حاضر نقش فعلی و چشم‌انداز مهندسی غشاء را در دستیابی به اهداف PIS در زمینه نمک‌زدایی مورد بحث قرار می‌دهد.
1. مقدمه
در طول 50 سال گذشته، جمعیت جهان دو برابر شده و تولید ناخالص داخلی ده برابر افزایش یافته است که نشان دهنده صنعتی شدن عظیم زیربنایی در این دوره است. این تحولات منابع آب شیرین، انرژی و مواد خام را تحت فشار فزاینده ای قرار داده است. مصرف انرژی طی پنج دهه گذشته پنج برابر افزایش یافته است و بیشتر این مصرف انرژی از سوخت‌های فسیلی محدود و آلاینده ناشی می‌شود [ 1 ]. در بخش آب، برآورد شده است که دو سوم جمعیت جهان ممکن است تا سال 2025 با دسترسی ناکافی به آب شیرین تمیز مواجه شوند [ 2 ]. به طور مشابه، استخراج معادن سنتی با چندین نگرانی زیست محیطی و پایداری مواجه است. این سناریو بر رشد صنعتی پایدار در سراسر جهان تأکید دارد که می‌تواند با استفاده مؤثرتر از منابع مادی و انرژی و با بهره‌برداری از منابع غیرسنتی اما پایدار این کالاها و در عین حال حذف یا به حداقل رساندن خطرات زیست‌محیطی مرتبط تحقق یابد. با فرآیندهای مرتبط [ 3 ]. این الزامات به وضوح به ضرورت توسعه فرآیندهای جدید با قابلیت تولید و استفاده از انرژی، آب شیرین و مواد خام به طور کارآمدتر و با پتانسیل برای بهره برداری از منابع جایگزین این محصولات اشاره می کند.
فقدان تعریف دقیق از توسعه پایدار منجر به تکامل دستورالعمل های خاصی مانند PIS برای اجرای مفهوم توسعه پایدار شده است. تشدید فرآیند همانطور که توسط Stankiewicz و Moulijn [ 3 ، 4 ] تعریف شده است، توسعه تجهیزات و تکنیک های جدیدی است که در مقایسه با مواردی که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند، به طور چشمگیری تولید و پردازش را با کاهش قابل توجه اندازه تجهیزات، بهبود نسبت مواد خام به تولید، کاهش مصرف انرژی بهبود می بخشد. و تولید زباله، و در نهایت منجر به فناوری‌های ارزان‌تر، کارآمدتر، ایمن‌تر و پایدارتر می‌شود. مهندسی غشاء مدرن یکی از جالب‌ترین راه‌ها برای توسعه فرآیندها مطابق با دستورالعمل‌های ارائه‌شده توسط PIS برای رویارویی با چالش‌های دنیای مدرن است [ 5 ، 6 ]. ویژگی های اصلی مهندسی غشاء که آن را کاملاً با PIS هماهنگ می کند شامل گزینش پذیری و نفوذپذیری بالای آن برای حمل و نقل اجزای خاص، سهولت در ادغام آن با سایر فرآیندها یا سایر عملیات غشاء، تمایل آن به انرژی کمتر و بسیار کارآمد است. و همچنین تمایل آن به هزینه های سرمایه پایین، ردپای کوچک و ایمنی بالا، سادگی عملیاتی و انعطاف پذیری [ 5 ، 7 ، 8 ، 9 ]. این ویژگی‌های استثنایی حوزه کاربردهای مهندسی غشاء را از بخش‌های آب، انرژی و مواد خام به کاربردهای پیچیده زیست‌پزشکی گسترش می‌دهد.
نمک زدایی یکی از بخش های صنعتی است که در آن مهندسی غشاء به عنوان بازیگر کلیدی برای اجرای موفقیت آمیز مفهوم PIS ظاهر شده است.
در بسیاری از نقاط جهان، دستگاه‌های نمک‌زدایی حرارتی معمولی با واحدهای اسمز معکوس (RO) با انرژی بسیار کمتر، فشرده‌تر و ایمن‌تر جایگزین شده‌اند. در حال حاضر RO بیش از 60 درصد از بازار نمک‌زدایی را اشغال می‌کند [ 10 ]. فرآیندهای حرارتی تنها به مناطقی مانند خاورمیانه با منابع فراوان سوخت‌های فسیلی محدود می‌شود. با این حال، علیرغم مزایایی که با صدای بلند بیان می‌شوند، فرآیندهای فشار رانده با چالش‌هایی مواجه هستند که مانع گسترش گسترده و رشد یکنواخت آنها در مناطق تحت تنش آب در سراسر جهان می‌شود: عملیات در فشار بالا، مصرف انرژی بالا، استفاده از انرژی با درجه بالا، ضریب بازیابی محدود. به طور معمول 40٪ تا 50٪، و دفع آب نمک مهم ترین موانعی هستند که بر اقتصاد فرآیند تأثیر منفی می گذارند و باعث ایجاد مشکلات زیست محیطی می شوند. تحقیقات متعددی برای مقابله با این چالش ها انجام شده است. این تحقیقات بر بهبود عملکرد فرآیند RO با بهینه‌سازی شرایط عملیاتی و طراحی فرآیند، با معرفی یک سیستم کنترل بهتر، و با ادغام فرآیند با منابع انرژی تجدیدپذیر متمرکز شده‌اند. به منظور بهینه سازی فرآیند، تاثیر دستگاه های بازیافت انرژی، نفوذپذیری غشاء، پیکربندی فرآیند، هزینه مدیریت آب نمک، راندمان پمپ و افت فشار اصطکاکی بر روی هزینه آب خاص تحت محدودیت های اعمال شده توسط فشار اسمزی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است [ 11 ]. در مطالعه دیگری، به این نتیجه رسیدیم که کاهش بیشتر در هزینه آب ویژه در RO کمتر از طریق توسعه غشاهای نفوذپذیرتر اتفاق می‌افتد، بلکه باید ناشی از کنترل رسوب‌گذاری و رسوب‌گذاری بهتر، مدیریت بهبود آب نمک، هزینه پیش تصفیه کمتر و بهبود باشد. کنترل فرآیند و بهینه سازی فرآیند [ 12 ]. سیستم‌های کنترل بهبودیافته برای ترکیب تنوع در شوری آب خوراک، تغییرات بزرگ نقطه تنظیم، و برای مدیریت و بهره‌برداری بهینه از تولید انرژی خورشیدی-بادی یکپارچه و سیستم‌های نمک‌زدایی RO توسعه یافته‌اند [ 12 ، 13 ، 14 ].
علاوه بر رویکردهای ذکر شده در بالا، استفاده از عملیات غشایی جدید راه حل های امیدوارکننده ای برای این چالش ها ارائه می دهد.
استفاده از فرآیندهای جدید در ترکیب با فرآیندهای سنتی نه تنها می تواند مشکل مدیریت زباله را حل کند، بلکه می تواند فرصتی برای رونق اقتصادی فرآیند را نیز فراهم کند. یک رویکرد یکپارچه صرفه جویی در انرژی (همچنین تولید در موارد خاص)، منطقی کردن آب، به حداقل رساندن استفاده از مواد شیمیایی، بازیابی منابع و تولید زباله را در نظر می گیرد [ 4 ]. بنابراین، سیستم های یکپارچه می توانند کمک قابل توجهی به حل جنبه های استراتژیک تولیدات صنعتی کنند. عملیات غشاهای مختلف را می توان در سیستم های یکپارچه به منظور نزدیک شدن به هدف جاه طلبانه “تخلیه مایع صفر” جفت کرد. تجزیه و تحلیل مقایسه ای کیفی نسل های مختلف فناوری نمک زدایی بر اساس پارامترهای مختلف تشدید فرآیند در شکل 1 توضیح داده شده است . نیروگاه های آب شیرین کن نسل اول (حرارتی) حجیم هستند، مقادیر زیادی انرژی مصرف می کنند و اثرات زیست محیطی زیادی از نظر انتشار کربن و استفاده از مواد شیمیایی مختلف (مثلاً ضد درزگیرها) دارند. به دلیل درجه حرارت بالا، سطح ایمنی این گیاهان نسبتا ضعیف است. با ظهور فناوری RO، وضعیت بهتر شده است. با این حال، مصرف انرژی و اثرات زیست محیطی (از نظر انتشار کربن و دفع آب نمک) RO هنوز بالاست. این اشکالات را می توان با ادغام فرآیندهای غشایی جدید از جمله اسمز تاخیری تحت فشار (PRO)، تقطیر غشایی (MD)، اسمز جلو (FO)، و الکترودیالیز معکوس (RED) برطرف کرد. جزئیات این فرآیندهای جدید در بخش های بعدی توضیح داده شده است.
معیارهای جدید برای PIS (استراتژی تشدید فرآیند)
برای مقایسه آسان و منصفانه عملیات واحد مرسوم با فناوری غشایی، کریسکوولی و دریولی [ 15 ] معیارهای جدیدی را پیشنهاد کرده اند. معیارها امکان نظارت بر پیشرفت و بهبود عملیات غشا را در منطق تشدید فرآیند با در نظر گرفتن اندازه کارخانه، وزن، انعطاف‌پذیری، مدولار بودن و غیره فراهم می‌کنند. ارزیابی کلی فرآیندهای پایدار باید معیارهای موجود (جرم و شدت ضایعات) را نیز در نظر بگیرد. عوامل محیطی، شاخص های اقتصادی و اجتماعی. شدت جرم و ضایعات (معادلات (1) و (2) به ترتیب) برای تعیین کمیت مقدار محصول تولید شده از یک فرآیند خاص با توجه به مقدار مواد ورودی یا ضایعات تولید شده از فرآیند استفاده می شود. کاهش در جرم و شدت ضایعات شکل ارجح برای بهبود فرآیند است. عملیات غشاء ردپای کوچکی دارد و بنابراین، می توان از آن برای تعیین کمیت چگونگی تأثیر بهره وری توسط اندازه یا وزن گیاه استفاده کرد (معادلات (3) و (4)، به ترتیب). نسبت بهره وری به وزن در صورتی که کارخانه در خارج از ساحل یا در مناطق دورافتاده ساخته شود از اهمیت ویژه ای برخوردار است. با در نظر گرفتن کل طول عمر نیروگاه، مهم است که دارای انعطاف پذیری و مدولار بودن (به ترتیب با معادلات (5) و (6) باشد، بنابراین می توان آن را با توجه به تغییرات در بهره وری، تغییرات فشار تنظیم کرد. دما، ترکیبات خوراک یا سایر پارامترهای مربوط به فرآیند. معادله مدولاریته تغییرات (افزایش/کاهش) اندازه گیاه را در مقایسه با بهره‌وری در نظر می‌گیرد. این معیارها همچنین باید بالاتر از 1 باشد تا یک گیاه غشایی ترجیح داده شود.
2. عملیات غشایی جدید همراستا با PIS
2.1. تقطیر غشایی / تبلور
علاوه بر RO به طور گسترده پذیرفته شده در نمک زدایی که در حال حاضر از فرآیندهای حرارتی سنتی خارج شده است، عملیات غشایی جدید و نسبتا کمتر کاوش شده با وعده های بیشتر در حال ظهور هستند. در صنعت نمک‌زدایی، تقطیر غشایی و تبلور غشایی، به‌ویژه، می‌تواند با افزایش تولید کلی آب و بازیابی نمک‌های ارزشمند از آب نمک، تأثیر مثبتی بر فرآیند بیافزاید و در نتیجه به تخلیه مایع صفر و اهداف استراتژی تشدید فرآیند نزدیک شود. . بازیابی مواد معدنی از آب نمک از طریق استفاده از تقطیر/کریستالیزاسیون غشایی ممکن است نقش مهمی در تعیین چشم انداز آینده صنعت معدن داشته باشد. در حالی که صنعت معدن به دلیل بهره برداری بیش از حد از مواد معدنی تحت فشار شدید قرار دارد، حجم آب نمک (و در نتیجه مواد معدنی موجود در آن) در سراسر جهان به دلیل افزایش ظرفیت خالص نمک زدایی در حال افزایش است. آب شور آب دریا حاوی تعدادی عناصر ضروری و استراتژیک از جمله سدیم، منیزیم، باریم، لیتیوم و غیره است و بنابراین می تواند به عنوان نوعی معدن آسمان باز برای بازیابی این اجزا عمل کند. اخیراً افزایش چشمگیری در مصرف برخی از این مواد مشاهده شده است. به عنوان مثال، استفاده از استرانسیم در صنعت نفت و گاز به عنوان مواد توزین در گل افزایش یافته است.
به طور مشابه، منابع سنتی لیتیوم ممکن است در آینده نزدیک برای برآوردن الزامات آن در صنعت الکترونیک (به ویژه با توجه به وسایل نقلیه هیبریدی) کافی نباشد. استخراج از معادن دریایی یک راه حل بالقوه برای مشکل کاهش مواد معدنی ارائه می دهد. مقایسه مواد معدنی بالقوه قابل بازیافت از آب نمک کارخانه های آب شیرین کن موجود و بهره برداری فعلی از آنها از طریق استخراج معمولی در شکل 2 نشان داده شده است [ 16 ]. از شکل می توان به این نکته اشاره کرد که میزان سدیم و منیزیم در آب نمک حاصل از ظرفیت های جاری نمک زدایی بیش از مقداری است که از طریق استخراج معمولی به دست می آید. به طور مشابه، استرانسیم و لیتیوم هر دو مقادیر قابل توجهی در آب نمک یافت می شوند که نشان دهنده فرصتی جذاب برای بازیابی این مواد معدنی از آب نمک است. وضعیت در تکمیل ظرفیت های قراردادی و برنامه ریزی شده آب شیرین کن در سراسر جهان بهبود بیشتری خواهد یافت.
در سال 2002، Drioli و همکاران [ 17 ] برای اولین بار کریستالایزرهای غشایی را برای نمک زدایی آب دریا در یک رویکرد یکپارچه با RO پیشنهاد کردند. در این مطالعه، آب دریای واقعی از سواحل تیرنین ابتدا با نانوفیلتراسیون (NF) و RO و سپس کریستالیزاسیون غشایی (MCr) کنسانتره RO با تولید NaCl تصفیه شد [ 17 ]. چشم انداز معرفی MCr به آب نمک RO پتانسیل افزایش ضریب بازیافت آب شیرین را از حدود 50٪ به بالای 90٪ در ترکیب با بازیافت نمک دارد. در واقع یکی از مزیت های اصلی MCr این است که از پدیده های اسمزی مانند RO رنج نمی برد زیرا نیروی محرکه به جای گرادیان فشار، گرادیان دما است. بنابراین، MCr می‌تواند محلول‌های بسیار غلیظ و حتی اشباع را بدون کاهش خاصی در نیروی محرکه و در نتیجه، شار غشایی مورد استفاده قرار دهد. ویژگی آبگریز غشاء باعث دفع کامل مواد غیرفرار می شود، بنابراین آب با کیفیت بسیار بالایی تولید می کند. علاوه بر این، دمای پایین استفاده شده (معمولاً در محدوده 40 تا 80 درجه سانتیگراد) امکان استفاده از گرمای اتلاف یا سایر منابع انرژی تجدید پذیر را فراهم می کند. در سال‌های بعدی این اولین مطالعه، چندین فعالیت تحقیقاتی بر روی سیستم‌های غشایی یکپارچه در نمک‌زدایی متمرکز شده‌اند.
در سال 2004، یک واحد MCr بر روی یک نگهدارنده NF مصنوعی اعمال شد.
که منجر به بازیابی NaCl و سولفات منیزیم به شکل اپسومیت (MgSO 4 · 7H 2 O) شد که یک شکل هیدراته از سولفات منیزیم با ارزش اقتصادی زیادی است. یکی دیگر از مزایای بزرگ کریستالایزر غشایی، در واقع، امکان به دست آوردن پلی مورف ها و اشکال مختلف (آب یا بی آب) با تنظیم ساده شرایط عملیاتی است. به طور موثر، در یک MCr، ماتریس غشایی به عنوان یک دروازه انتخابی برای تبخیر حلال عمل می‌کند و درجه نهایی و سرعت تولید فوق اشباع را تعدیل می‌کند. از این رو، امکان عمل بر روی سرعت جریان ترانس غشایی، با تغییر نیروی محرکه فرآیند، امکان تعدیل خواص نهایی کریستال‌های تولید شده را هم از نظر ساختار (چند شکلی) و هم از نظر مورفولوژی (عادت، شکل) فراهم می‌کند. ، اندازه و توزیع اندازه). علاوه بر این، امکان جداسازی تبخیر حلال (که در داخل ماژول غشایی رخ می دهد، جایی که محلول جاری در زیر شرایط فوق اشباع است) و مرحله تبلور (که در یک مخزن جداگانه روی خط احتباسی که در رژیم فوق اشباع ناپایدار عمل می کند) امکان پذیر است. کنترل مناسب دمای کریستالیزاسیون، بنابراین به تشکیل یک فرم خاص (آب یا بی آب) رسیدگی می شود.
پروژه با بودجه اروپا:
نمک زدایی مبتنی بر غشاء: یک رویکرد یکپارچه (MEDINA) در سال 2006 راه اندازی شد. این پروژه بر روی سیستم های غشایی یکپارچه برای بهبود کارایی نمک زدایی متمرکز بود. سیستم های یکپارچه متشکل از میکروفیلتراسیون (MF)، NF و RO با یک کریستالایزر غشایی همراه با NF و RO می توانند ضریب بازیافت آب را تا 92.4% به دست آورند، بنابراین به تخلیه مایع و بازیابی مواد خام با ارزش به صفر نزدیک می شوند [ 21 ]. همانطور که در [ 22 ، 23 ، 24 ] ذکر شد، یکپارچگی را می توان در چندین پیکربندی به دست آورد . سیستم های غشایی یکپارچه از نظر اقتصادی نیز بسیار جالب هستند. هزینه آب خاص ظاهراً زمانی که MD یا MCr معرفی می‌شوند افزایش می‌یابد ( شکل 3 )، عمدتاً به دلیل نیاز به بخار در هنگام کارکرد فرآیندهای حرارتی با توجه به تقاضای انرژی الکتریکی در عملیات غشای تحت فشار [ 24 ]. با این وجود، ضریب بازیافت آب به طور قابل توجهی با معرفی MD و MCr از 40% در RO (پیکربندی 1) به بالای 90% برای عملیات یکپارچه (پیکربندی 7) افزایش می‌یابد. با این حال، اگر فروش CaCO 3 ، MgSO 4 · 7H 2 O و NaCl در نظر گرفته شود، هزینه تولید آب می تواند منفی باشد (خطوط جامد در شکل 3 نشان داده شده است ). در این مورد، آب شیرین نمک زدایی شده فقط می تواند محصول جانبی تولید مواد معدنی باشد. علاوه بر آب نمک RO، دیگر جریان‌های آب شور صنعتی را نیز می‌توان برای بازیابی مواد معدنی موجود در نظر گرفت.
شکل 3. هزینه آب ویژه پیکربندی های مختلف یکپارچه بدون در نظر گرفتن فروش نمک (میله های طرح دار) و پس از در نظر گرفتن فروش نمک (خطوط جامد). ER: بازیابی انرژی مکانیکی. TE: بازیابی انرژی حرارتی؛ MF، میکروفیلتراسیون; NF، نانوفیلتراسیون؛ MD، تقطیر غشایی؛ 1 = پیکربندی 1: RO به تنهایی. 2 = پیکربندی 2: NF-RO; 3 = پیکربندی 3: MF-NF-RO; 4 = پیکربندی 4: MF-NF(-MCr)-RO; 5 = پیکربندی 5: MF-NF-RO(-MCr); 6 = پیکربندی 6: MF-NF(-MCr)-RO(-MD); 7 = پیکربندی 7: MF-NF(-MCr)-RO(-MCr).
پیشرفت های متعددی به دلیل کاربردهای گسترده فرآیند تقطیر/بلورسازی غشایی است. بزرگترین مشکل در دسترس نبودن غشاهای خاص با آب گریزی، تخلخل، توزیع اندازه منافذ و ویژگی ضد رسوب/تر شدن مورد نیاز است. از دیدگاه پدیدارشناسی، درک و کنترل بهتر قطبش دما لازم است. تلاش های تحقیقاتی نیز برای بهبود طراحی ماژول و توسعه منطق بهتر برای بازیابی انرژی مورد نیاز است. نیاز به توسعه نمونه های اولیه در مقیاس بزرگ برای ارزیابی پتانسیل واقعی فنی-اقتصادی فرآیند و درک مشکلات غیرقابل پیش بینی وجود دارد.
2.2. تولید انرژی در بخش نمک‌زدایی
پیشرفت‌ها و پیشرفت‌های جدید در مهندسی غشاء فرصت‌های هیجان‌انگیزی را برای تولید انرژی تجدیدپذیر و پایدار در بخش نمک‌زدایی ایجاد می‌کند. این را می توان با مخلوط کردن دو جریان با گرادیان های مختلف شوری به دست آورد. توان تولید شده به عنوان انرژی آبی یا قدرت گرادیان شوری نامیده می شود. کل پتانسیل جهانی انرژی آبی حدود 1.4-2.6 TW تخمین زده شده است که از این مقدار 980 گیگاوات بسته به فناوری استفاده شده قابل استخراج است [ 25 ]. نشان داده شده است که انرژی گرادیان شوری قادر است 20 درصد از نیاز جهانی انرژی فعلی را برآورده کند. این می تواند سهم قابل توجهی در کاهش وابستگی به تولید انرژی مبتنی بر کربن داشته باشد. PRO و RED دو مورد از جالب ترین عملیات غشایی برای مهار این انرژی هستند. ادغام این عملیات با عملیات نمک زدایی معمولی و نوظهور، اثرات هم افزایی ایجاد می کند. این عملیات علاوه بر کاهش مصرف انرژی خالص فرآیندهای نمک‌زدایی، نمک‌زدایی را با تولید الکتریسیته با انتشار کربن صفر و با رقیق کردن آب نمک غلیظ که در غیر این صورت مزاحم است، نمک‌زدایی را تمیزتر و سبزتر می‌کند. با ترکیب PRO یا RED با سیستم های نمک زدایی مبتنی بر غشاء مانند RO و MD، مزیت هم افزایی هر دو سیستم را می توان در منطق تشدید فرآیند به دست آورد.
2.2.1. الکترودیالیز معکوس (RED)
در سیستم‌های نمک‌زدایی هیبریدی غشایی RED، از آب نمک رد بسیار غلیظ (از هر دو کارخانه نمک‌زدایی حرارتی و غشایی) برای بازیابی انرژی استفاده می‌شود. الکتریسیته تولید شده را می توان برای برآوردن (قسمتی یا کامل) نیازهای انرژی سیستم آب شیرین کن استفاده کرد. ادغام های مختلف RED با RO امکان پذیر است [ 18 ]. RED می تواند به عنوان یک پیش درمانی، پس از درمان یا هر دو مرحله برای RO عمل کند. بسته به پیکربندی اعمال شده، RED می‌تواند به عنوان کاهش‌دهنده انرژی به مولد انرژی خالص در یک کارخانه نمک‌زدایی RO عمل کند [ 18 ]. به طور مشابه، ادغام RED با MD می تواند اثرات هم افزایی ایجاد کند. استفاده از MD در RO retentate می تواند ضریب بازیابی را افزایش دهد در حالی که RED متصل شده در رتنتنت MD می تواند برق تولید کند در حالی که غلظت آن را کاهش می دهد.
اخیرا توفا و همکاران. به طور تجربی کاربرد یکپارچه RED و MD را برای تولید آب پاک و انرژی ارزیابی کرد [ 22 ]. تصویر مفهومی سیستم هیبریدی مورد بررسی در شکل 4 ارائه شده است . به طور خاص، MD با آب دریا RO retentate (1 M NaCl) عمل شد. آب نمک با غلظت حداکثر 5.4 مولار NaCl (تقریباً فوق اشباع) از تقطیر غشایی تماس مستقیم (DCMD) بر روی آب نمک RO (1 مولار NaCl) در زمان گردش مجدد خوراک 20 ساعت و گرادیان دمایی 30 درجه سانتی گراد به دست آمد. 15 ]. سپس از آب نمک DCMD برای بازیابی انرژی توسط سیستم RED استفاده شد. سطح توان خروجی RED به غلظت خوراک (MD آب نمک) و پارامترهای عملیاتی مانند دما و سرعت جریان بستگی دارد. به عنوان مثال، مشاهده شد که حداکثر چگالی توان یک سیستم RED از 0.9 W/m2 به 2.4 W/m2 افزایش می یابد که غلظت نمک MD به ترتیب از 4 M NaCl به 5.4 M NaCl افزایش یافته است [ 15 ]. همچنین مشاهده شد که توان خروجی از RED با دما (0.027 W/°C به طور متوسط) و سرعت جریان افزایش می‌یابد، که می‌تواند برای تنظیم شرایط کاری مناسب برای بهبود عملکرد سیستم بهینه شود. به طور کلی، بازیابی انرژی از آب نمک DCMD توسط RED، تامین انرژی اضافی مورد نیاز برای نمک‌زدایی را ممکن می‌سازد. این یک استراتژی امیدوارکننده برای نمک‌زدایی کم انرژی و تخلیه مایع نزدیک به صفر است.
امکان سنجی یک MD-RED یکپارچه به عوامل متعددی بستگی دارد که بر عملکرد واحدهای سیستم فردی تأثیر می گذارد. برای بهبود عملکرد سیستم از نظر قابلیت تولید آب، توان خروجی و بهره وری انرژی می توان استراتژی های مختلفی را دنبال کرد. مصرف انرژی در RO یا MD را می توان با کنترل شرایط عملیاتی، استفاده از تکنیک های پیش تصفیه مناسب و طراحی غشاها و ماژول های بهینه کاهش داد [ 12 ، 21 ]. پتانسیل و در نتیجه توان خروجی از یک واحد RED را می توان با توسعه و استفاده از IEMهای بسیار نفوذپذیر و با مقاومت کم (غشاهای تبادل یونی) بهبود بخشید [ 11 ]. علاوه بر مزیتی که در دماهای بالاتر برای هر دو سیستم (MD و RED) به دست می‌آید، سیستم جفت شده امکان استفاده و تبدیل گرمای تلف شده به برق را فراهم می‌کند.
2.2.2. اسمز عقب‌افتاده فشار (PRO)
PRO یکی از جالب‌ترین فرآیندهای غشایی برای مهار انرژی پاک از گرادیان شوری است. در PRO، یک غشای نیمه تراوا برای جداسازی محلول های با شوری بالا و پایین اعمال می شود. فشار اسمزی آب شیرین را از رقیق به محلول غلیظ استخراج می کند. فشار ایجاد شده در سمت محلول با شوری بالا می تواند برای راه اندازی یک توربین آبی استفاده شود. برای این فرآیند، چندین ترکیب از محلول‌های خوراک و کشش آزمایش شده‌اند، از جمله آب رودخانه و دریا، آب نمک آب دریا و احتباس آب فاضلاب، آب شیرین و محلول NaCl مصنوعی، و آب دریا و فاضلاب شهری.
اثرات هم افزایی را می توان با وارد کردن PRO به سیستم های نمک زدایی از نظر کاهش رد پای ضایعات محلول خوراک و رقیق کردن محلول کششی که می تواند تقاضای انرژی سیستم نمک زدایی را کاهش دهد و پیامدهای زیست محیطی دفع آب نمک را به حداقل برساند. آچیلی و همکاران داده‌های تجربی را در مورد یک واحد RO گزارش کرده‌اند که از فشار تولید شده توسط یک واحد PRO بهره می‌برد. نویسندگان همچنین داده‌های چگالی توان سیستم PRO-RO را بین 1.1 W/m2 تا 2.3 W/m2 گزارش کرده‌اند . نویسندگان به این نتیجه رسیده اند که سیستم پیشنهادی می تواند تقاضای انرژی نمک زدایی را به 1 کیلووات ساعت بر متر مکعب کاهش دهد . به منظور افزایش چگالی توان فرآیند PRO، هان و همکاران. ادغام PRO با فرآیند MD حلقه بسته را پیشنهاد کرده اند. MD غلظت بالایی از محلول کشش را حفظ می کند که آب شیرین را از محلول خوراک استخراج می کند. نویسندگان ادعا کرده‌اند که سیستم پیشنهادی می‌تواند به ضریب بازیابی بالا، تولید عظیم توان و حداقل رسوب غشاء و اثرات زیست‌محیطی دست یابد.
مفهوم ادغام PRO با سایر عملیات غشایی نیز در مقیاس های صنعتی مورد توجه قرار گرفته است. در حال حاضر، Applied Biomimetics و شرکای آن دو نیروگاه آزمایشی را با هدف تولید برق از فاضلاب زمین گرمایی با استفاده از فناوری PRO راه اندازی کرده اند (energyforskining.dk/node/8345). انتظار می رود طرح پیشنهادی برق بدون انتشار تولید کند و در عین حال سطح شوری آب نمک زمین گرمایی را به کمتر از حد مجاز برساند. رقیق شدن آب نمک زمین گرمایی از طریق PRO همچنین پتانسیل خوردگی و پوسته پوسته شدن جریان زمین گرمایی را کاهش می دهد. مفهوم مشابهی در پروژه مگا تنی که در آن یک کارخانه آزمایشی در فوکوکا (ژاپن) ساخته شده است، استفاده شده است. این کارخانه از 460 متر مکعب در روز آب نمک RO استفاده می کند که با 420 متر مکعب در روز فاضلاب مخلوط می شود. این نیروگاه با استفاده از الیاف توخالی تجاری TOYOBO (اوزاکا، ژاپن) توانسته است به چگالی توان 13 وات بر متر مربع در فشار هیدرولیک 30 بار دست یابد.
پروژه تحقیقاتی پرو هیبریدی در مقیاس آزمایشی دیگر تحت عنوان پروژه جهانی MVP (تقطیر غشایی، بازیابی منابع با ارزش، اسمز عقب‌افتاده فشار)» در کره در حال انجام است.
هدف از این پروژه ارزیابی امکان سنجی فرآیند هیبریدی RO-MD-PRO از نظر کاهش غلظت آب تخلیه شده و مصرف انرژی بود. در فرآیند هیبریدی، آب نمک RO غلیظ وارد سمت خوراک MD می شود و سپس نمک MD غلیظ بیشتر به عنوان محلول قرعه کشی PRO استفاده می شود در حالی که پساب فاضلاب به عنوان محلول خوراک استفاده می شود. در نتیجه، به دلیل تولید آب اضافی توسط MD و کاهش مصرف انرژی خالص ناشی از تولید انرژی PRO، بهبود در راندمان کل نیروگاه در مقایسه با یک نیروگاه RO مستقل انتظار می‌رود. به طور خاص، نیروگاه آزمایشی زیر ساخته خواهد شد: یک سیستم RO با توان تولید 1000 متر مکعب آب در روز، یک سیستم MD با ظرفیت تولید آب 400 متر مکعب در روز و یک سیستم PRO با توان 5 وات بر متر مربع . چگالی [ 32 ]. اخیرا Statkraft فعالیت خود را در زمینه تولید برق فیلتر ممبران دریایی SW30HRLE-400 فیلمتک از طریق PRO خاتمه داده است. این شرکت نمونه اولیه ای با ظرفیت 10 کیلووات را با استفاده از آب دریا و آب رودخانه به عنوان محلول های کشش و تغذیه به ترتیب اجرا کرده است که از طریق غشایی با چگالی توان 1 W/m2 جدا شده اند که بسیار کمتر از شکست اقتصادی بود. نقطه زوج (5 وات بر متر مربع ) . اگرچه غشاهایی با چگالی توان تا 10 وات بر متر مربع در ادبیات کنونی گزارش شده است، قیمت و در دسترس بودن تجاری این غشاها هنوز به عنوان سؤالات بی پاسخ باقی مانده است. علاوه بر چگالی توان بالا، غشاهای مناسب باید گزینش پذیری بالا و حداقل انتشار معکوس املاح را از خود نشان دهند. پلاریزاسیون غلظت داخلی و رسوب از دیگر مسائل اصلی مانع عملکرد فرآیندهای PRO هستند. به دلیل قرار گرفتن لایه پشتیبان در معرض محلول خوراک، مسائل رسوب و پلاریزاسیون غلظت داخلی در PRO شدیدتر از فرآیندهای تحت فشار است. علاوه بر درمان مناسب محلول خوراک، طراحی و اصلاح لایه پشتیبانی نیز باید مورد تاکید قرار گیرد تا این پدیده کاهش یابد.
3. ارزیابی معیارهای جدید
مقایسه ای از فرآیندهای مختلف نمک زدایی از نظر معیارهای مختلف برای تشدید فرآیند در شکل 6 ارائه شده است . MSF (فلاش چند مرحله ای) که پرکاربردترین فرآیند نمک زدایی حرارتی است، به عنوان خط پایه در نظر گرفته شده است و بنابراین ارزش تمام معیارها برای این یک است. شکل نشان می دهد که معیارهای مختلف تغییرات زیادی را برای فرآیندهای مختلف نشان می دهد. MI (شدت جرم) برای RO و MD به دلیل بهبود فاکتور بازیابی (به ترتیب 50٪ و 86٪، در مطالعه فعلی) به شدت کاهش می یابد. RO حداکثر مقدار نسبت بهره وری به وزن (PW) را به دلیل نفوذپذیری بالای غشاء و حذف قطعات فلزی سنگین، که اجزای ضروری کارخانه MSF هستند، نشان می دهد. این جنبه به ویژه برای تاسیسات خارج از ساحل یا از راه دور مهم است. همچنین از شکل مشهود است که PW برای RO بالاتر از MD است، که می تواند به شار بالای RO در نظر گرفته شده در مطالعه فعلی نسبت داده شود ( جدول 1 ). نیاز به سطح غشا بزرگتر در مورد MD به معنی تعداد بیشتری از ماژول ها است که باعث افزایش وزن می شود و بنابراین PW کاهش می یابد. به طور مشابه، PS برای MSF کمترین است، در نتیجه نشان دهنده اثر بزرگ پای گیاه است. به طور کلی، مقایسه نشان می‌دهد که عملیات غشایی جدید (MD در مثال فعلی) می‌تواند نامزدهای بهینه برای غلبه بر اشکالات (MI محدود) فرآیندهای RO معمولی باشد.
علاوه بر محلول‌های سنتی با غلظت کم، عملیات غشایی نوظهور قابلیت درمان محلول‌های بسیار غلیظ را دارند که فراتر از حد کاربرد فرآیندهای سنتی هستند، بنابراین امکان دستیابی به مقادیر MI و WI (شدت زباله) را ارائه می‌دهند که در غیر این صورت امکان‌پذیر نیستند. این جنبه با در نظر گرفتن مثالی از تصفیه آب تولید شده با استفاده از کریستالیزاسیون غشایی توضیح داده شده است. جزئیات تجربی فیلتر ممبران دریایی SW30HRLE-400 فیلمتک در جای دیگری توضیح داده شده است [ 35 ]. تغییرات جرم و شدت ضایعات و بازیابی کلی با توجه به اندازه غشاء (0.2 متر مربع – سطح فعال) و وزن (0.467 کیلوگرم – ماژول) شناسایی شد ( شکل 7 ). در ابتدای آزمایش، آب فقط محصول در نظر گرفته شد و در پایان آزمایش هم آب و هم نمک در نظر گرفته شد. از زمان اشباع، NaCl با سرعت 0.012 ± 0.063 کیلوگرم در ساعت تولید می شد. MI و WI با افزایش ضریب بازیافت آب از بالای 35 به زیر 3 و 2 به ترتیب برای MI و WI به طور قابل توجهی کاهش یافت. در آزمایش های انجام شده ضریب بهبودی تنها 37 درصد به دست آمد و ادامه درمان می تواند MI و WI را بیشتر بهبود بخشد.
4. انرژی های تجدیدپذیر در نمک زدایی
علیرغم افزایش سریع تاسیسات نمک‌زدایی مبتنی بر غشاء، استفاده از انرژی مبتنی بر سوخت فسیلی نگرانی‌های جدی را در مورد پایداری و هزینه‌های به دست آوردن آب از نمک‌زدایی ایجاد می‌کند. برای اینکه نمک‌زدایی کاملاً با اهداف PIS هماهنگ شود، ردپای کربن کارخانه‌های نمک‌زدایی باید کاهش یابد. علاوه بر این، مصرف انرژی این فرآیند باید کاهش یابد تا برای جوامع کمتر خوش شانس نیز مقرون به صرفه باشد. تاکنون، بیشترین گسترش تاسیسات نمک‌زدایی در مناطق غنی از انرژی و/یا مناطق توسعه‌یافته از جمله اسپانیا، استرالیا و آمریکای شمالی ثبت شده است. این به دلیل تقاضای انرژی بالای فرآیندهای نمک زدایی سنتی است. اسمز معکوس اقتصادی ترین فناوری نمک زدایی موجود در مقیاس تجاری در حال حاضر است، اما همچنان مصرف انرژی این فناوری بیش از دو برابر حداقل انرژی مورد نیاز نظری فرآیند است [ 36 ]. این سناریو علاقه زیادی را در توسعه نمک‌زدایی بر اساس منابع انرژی تجدیدپذیر به خود جلب کرده است.
هزینه نمک‌زدایی تجدیدپذیر در محدوده مشابهی با منابع سنتی است [ 37 ]. انواع منابع انرژی تجدیدپذیر مناسب برای نمک زدایی عمدتاً شامل انرژی خورشیدی، انرژی زمین گرمایی و انرژی باد است. انتخاب منابع انرژی تجدیدپذیر و تکنیک‌های نمک‌زدایی کاربردی (RO، حرارتی، EDs (الکترودیالیز) و غیره) به عوامل مختلفی بستگی دارد که عمدتاً از جمله نوع منابع انرژی تجدیدپذیر موجود در منطقه، ماهیت آب محلی (آب دریا یا شور) است. آب)، ظرفیت تولید، دور بودن منطقه و غیره [ 38 ]. در حال حاضر، بیشتر تأسیسات نمک‌زدایی مبتنی بر تجدیدپذیر بر اساس RO هستند و توسط انرژی خورشیدی و بادی هدایت می‌شوند [ 39 ]. این نیروگاه ها ظرفیتی از چند متر مکعب فیلتر ممبران دریایی SW30HRLE-400 فیلمتک تا چند صد متر مکعب در روز دارند. مصرف انرژی ویژه این واحدها برای آب شور به ترتیب از 0.9 تا 29.1 kWh/m3 و 2.4 تا 17.9 kWh/m3 برای آب شور و دریا است [ 40 ]. با این حال، منابع انرژی خورشیدی و باد اجازه کار مداوم بدون استفاده از باتری‌های ذخیره‌سازی را نمی‌دهند. برای غلبه بر این اشکال، نمک‌زدایی انرژی‌های تجدیدپذیر با منابع انرژی متعارف از جمله برق شبکه، ژنراتورهای دیزل و غیره ادغام شده است. دومین شکل سودمند نمک‌زدایی مبتنی بر انرژی‌های تجدیدپذیر، الکترودیالیز است که عمدتاً با انرژی باد کار می‌کند. MD نماینده دیگری در حال ظهور در این زمینه است. نیروگاه های MD با انرژی خورشیدی و انرژی زمین گرمایی در مناطق مختلف در سراسر جهان نصب شده اند.
انتظار می‌رود نمک‌زدایی تجدیدپذیر مبتنی بر غشاء به عنوان یک بخش جالب در آینده برای کاهش انتشار کربن و هزینه‌های نمک‌زدایی ظاهر شود، به‌ویژه در مناطق دورافتاده با منابع فراوان آب شور و انرژی‌های تجدیدپذیر اما زیرساخت ضعیف برق. عامل کلیدی برای رشد بیشتر نمک‌زدایی انرژی‌های تجدیدپذیر، توسعه و پیشرفت در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر ارزان‌تر و کارآمدتر و سیستم‌های کنترل و منطقی بهبود یافته برای تنظیم تولید انرژی است. علاوه بر این، امکان‌سنجی فنی-اقتصادی فناوری‌های نمک‌زدایی مبتنی بر غشاء با منابع انرژی تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ باید مورد بررسی قرار گیرد.
5. نتیجه گیری و دیدگاه ها
مفهوم استراتژی تشدید فرآیند به طور قابل توجهی در بخش نمک‌زدایی اجرا شده است که در آن فناوری‌های بزرگ، سنگین و انرژی بر با فناوری‌های مبتنی بر غشاء با مصرف انرژی کم، ردپای کوچک و پیامدهای زیست‌محیطی کم جایگزین شده‌اند. بر اساس معیارهای تشدید فرآیند، عملیات غشاء به وضوح از همتایان حرارتی معمولی خود پیشی می گیرد. عملیات‌های مبتنی بر غشاء نسبتاً کمتر کاوش‌شده شامل MD/MCr، PRO، RED و غیره با پتانسیل نشان‌داده‌شده برای افزایش ضریب بازیافت آب، برای دستیابی به بازیابی مواد معدنی و تولید انرژی تجدیدپذیر، در حال ظهور هستند، بنابراین محدودیت‌های سنتی و کاربردهای فناوری غشاء در نمک‌زدایی را شکسته‌اند. پیشرفت‌های جالب این عملیات در مقیاس تجاری ظاهر می‌شود و پروژه‌های بزرگ نمک‌زدایی از جمله MEDINA، Seahero، Mega-ton و پروژه Global MVP شاهد علاقه کاربردهای عملی این فرآیندها بوده‌اند. با اجرای این فرآیندها می توان تغییر شکل صنعت نمک زدایی را پیش بینی کرد و به طور واقع بینانه می توان انتظار داشت که صنعت نمک زدایی در آینده به بخش انرژی و مواد اولیه تبدیل شود و آب شیرین به عنوان یک محصول جانبی مفید باشد. با این حال، وعده های فرآیندهای جدید به شدت با غلبه بر موفقیت آمیز چندین چالش از جمله توسعه غشاهای بهتر برای PRO، RED، و MD/MCr، کنترل بهتر قطبش غلظت داخلی و رسوب زیستی، طراحی بهتر فاصله، بهبود بهره وری انرژی مرتبط است. دستگاه های بازیابی، طراحی ماژول بهبود یافته و غیره. در مناطق دورافتاده با زیرساخت ضعیف، انتظار می رود اجرای منابع انرژی تجدیدپذیر در نمک زدایی مبتنی بر غشاء توجه بیشتری را به خود جلب کند. انتظار می رود MD به عنوان یک رقیب قوی برای RO در این زمینه ظاهر شود، به ویژه در مناطقی با منابع فراوان انرژی خورشیدی و زمین گرمایی.