کاربرد فناوری نانو در آب‌شیرین‌کن های خورشیدی

• آب‌شیرین‌کن خورشیدی

آب ماده حیاتی است که به‌طور یکنواخت در سطح کره زمین موجود نیست و نقاط مختلف کره زمین با کمبود آب مواجه هستند. آب از دو بعد اقتصادی و بهداشتی حائز اهمیت است زیرابه حرکت در آورنده چرخ صنعت و رونق‌بخش فعال کشاورزی می­باشد و هم‌چنین آب سالم تضمین‌کننده سلامت انسان است.

با توجه به رشد روزافزون جمعیت جهان و ثابت بودن منابع آبی می‌توان نتیجه گرفت که معضل کمبود آب به مشکل بزرگی در آینده تبدیل خواهد شد. باید راهکارهای جدید و مطمئنی برای حفظ منابع آبی در دسترس و هم‌چنین تولید و تصفیه آب شیرین در پیش‌گرفته شود. بر اساس گزارش منتشرشده از موسسه پاسیفیک اوکلند کالیفرنیا در صورت عدم اتخاذ تصمیمی پیشگیرانه، بیش از 76 میلیون نفر در سال 2020 در اثر بیماری­های ناشی از آب­های آلوده جان خود را از دست خواهند داد و بیماری­های ناشی از آب­های آلوده بیش‌تر از ایدز سلامت جامعه جهانی را تهدید می­نماید. لذا استفاده از فن‌آوری‌ها و راهکارهای نوین  نظیر استفاده از انرژی تجدید پذیر خورشیدی جهت تهیه آب شیرین امری ضروری محسوب می­گردد]1[.

 

• وضعیت آب در جهان

حجم آب­های زمین در حدود 1.386 میلیارد مترمکعب است که حدود 70 درصد از کره زمین را پوشانده است، ولی سهم کمی از آب­های موجود برای مصارف بهداشتی و کشاورزی قابل‌استفاده می­باشد. آب اقیانوس­ها، دریاها و اغلب دریاچه­ها به علت شوری بیش‌ازحد و داشتن املاح معدنی، برای مقاصد بهداشتی، کشاورزی و صنعتی غیرقابل استفاده است. تنها 2.5 درصد از این آب­ها، شیرین می­باشد که توزیع آن در حوزه­های مختلف در شکل زیر نمایش داده‌شده است.

شکل 1 – توزیع آب در حوزه­های مختلف]2[

در حال حاضر بیش از 25 کشور در جهان با بحران کمبود آب مواجه هستند و حدود 1.5 میلیارد نفر به آب آشامیدنی سالم دسترسی ندارند و 1.7 میلیارد نیز در آستانه شرایط بحرانی کمبود آب قرار دارند و تا سال 2025 حدس زده می­شود که 2/3 از جمعیت کل جهان با کمبود آب مواجه شوند]2[.

1-3  طبقه‌بندی میزان آب شیرین

معمولاً مصارف آب شیرین را به سه دسته کلی زیر تقسیم‌بندی می­کنند:

• مصارف خانگی (نوشیدن، پخت‌وپز و بهداشت): تنها 8 تا 10 درصد از مصرف جهانی را به خود اختصاص می­دهد.
• مصارف صنعتی: حدود 20 درصد از مصرف جهانی آب شیرین را به خود اختصاص داده است و از سال 1950 مصرف این حوزه رو به افزایش است.
• مصارف کشاورزی: بزرگ‌ترین مصرف‌کننده منابع آب شیرین دنیا است و از آغاز قرن 20 تاکنون مصرف آب شیرین این حوزه در دنیا به علت افزایش جمعیت جهان تقریباً 7 برابر شده است. پیش­بینی می­شود تا سال 2025 نیاز آب برای بخش کشاورزی 20 درصد افزایش یابد]3[.

 

• وضعیت منابع و سرانه آب در ایران

کشور ایران 1.1 درصد از مساحت کل جهان را به خود   اختصاص داده است اما فقط 0.34 درصد از آب­های موجود در جهان را در اختیار دارد. ایران دارای اقلیم آب‌وهوای خشک و نیمه‌خشک است و میزان بارندگی در آن‌یک چهارم بارندگی متوسط در جهان است. با توجه به ارقام بالا ایران یکی از فقیرترین کشورها ازلحاظ منابع آبی سرانه در جهان می­باشد]4[.

روش­های مبارزه با بحران آب در کشور عبارت‌اند از:

• اصلاح مصرف آب در کشور به‌گونه‌ای تغییر یابد که سهم مصرف آب کشاورزی از 92 درصد به 87 درصد در بیست سال آتی کاهش یابد.
• بازدهی آب در بخش کشاورزی به ازای هر مترمکعب آب از وضع فعلی به دو برابر در بیست سال آتی افزایش یابد.
• اولویت مصرف آب به ترتیب برای شرب، بهداشت، صنعت و کشاورزی اختصاص یابد.
• رعایت استانداردهای ملی حفاظت کیفی منابع آب توسط مصرف‌کنندگان الزامی شود.
• استفاده از شیوه نمک‌زدایی و سایر روش­های نوین برای تولید آب شیرین رایج گردد.
• آب شرب از سایر آب­ها تفکیک شود]3[.

1-5 استفاده از شیوه نمک­زدایی برای تأمین آب شیرین در کشور

برای مقابله با مشکل تأمین آب شرب ایران، برای مناطقی که نیاز به آب شرب دارند با روش‌های معمول نمی‌توان آب شیرین را از آب­های سطحی و زیرزمینی تأمین کرد، زیرا در بسیاری موارد باید هزینه‌های زیادی صرف کرد.

امروزه برای شیرین کردن آب‌شور رودخانه­, دریا و آب­های زیرزمین از آب‌شیرین‌کن‌ها استفاده می­شود. بخش­هایی از جنوب کشور به‌خصوص استا­ن­های حاشیه خلیج‌فارس و دریای عمان از این آب­شیرین­کن­ها به‌طور کامل استفاده می­کنند و میزان قابل‌توجهی از آب مصرفی مناطق از این طریق تأمین می­شود. در حال حاضر سیستم­های بخار، مثل مجموعه­های چابهار به شیرین­سازی آب‌شور مبادرت می­کنند و هم‌اکنون روش­های جدید و پیشرفته­ای در کشور برای شیرین­سازی آب­های شور در حال ساخت و راه­اندازی است.

فن­آوری آب­شیرین­کن­ها در حال حاضر با سه چالش تخریب محیط‌زیست، بالا بودن هزینه تمام‌شده و وابستگی تجهیزات به خارج از کشور مواجه است. تولید هر مترمکعب آب شیرین 50 تا 80 سنت هزینه دارد که این به‌طور مستمر در حال کاهش است]1[.

• انواع روش­های تولید آب شیرین

روش­های مختلفی برای تولید آب شیرین وجود دارد که در این بخش به معرفی روش­های متداول می‌پردازیم. روش­های تولید آب شیرین می­توانند در 2 دسته‌بندی کلی زیر جای‌گیرند]4[ :

• روش حرارتی[1] (تغییر فاز)
• روش­های غشایی[2]

در ادامه هر یک از روش­های تولید آب شیرین به طور کامل توضیح داده می­شود.

 

1-6-1 روش­های حرارتی تولید آب شیرین (تبخیری-تقطیری)

روش حرارتی تولید آب شیرین، بر اساس اصل تبخیر و تقطیر است. دمای آب بالا می­رود تا به دمای تبخیر برسد و آب تبخیر می­شود و نمک باقی می­ماند و بخار تولیدشده در مبدل دیگری، مایع می­شود و آب شیرین تولید می­شود.

انرژی حرارتی لازم در این روش توسط توربین­های بخار نیروگاه، بویلرهای حرارتی و یا منابع تجدید پذیر مثل انرژی خورشیدی تأمین می­شود. پروسه­های رایج در روش حرارتی تولید آب شیرین عبارت‌اند از]5[:

• تقطیر ناگهانی چندمرحله‌ای (MSF[3])
• تقطیر مؤثر چندمرحله‌ای (MED[4])
• متراکم سازی بخار (VC[5])
• تقطیر به کمک انرژی خورشیدی[6]

1-6-1-1 روش تقطیر ناگهانی چندمرحله‌ای

پرکاربردترین شیوه نمک­زدایی است و درصد زیادی از واحدهای تولید آب شیرین را به خود اختصاص داده است. این سیستم همان‌طور که در شکل 2 نمایش داده‌شده است، بر این اساس کار می­کند که ابتدا آب دریا وارد پیش­گرمکن شده و سپس در یک گرم‌کن توسط بخار افزایش دما می­یابد (این مقدار دما برحسب نوع پیش­تصفیه  می­تواند تا 120 درجه سانتی‌گراد برسد). بعدازاین مرحله آب تغذیه وارد محفظه­ای می­شود که فشاری پایین­تر از فشار دمای آب تغذیه دارد. آب تغذیه در رویارویی با این افت فشار ناگهانی، مافوق گرم شده و قسمتی از آن تبخیر می­شود و غلظت باقی­مانده آب‌شور افزایش می­یابد. بخار تشکیل‌شده از یک فیلتر عبور کرده و در برخورد با لوله­های پیش­گرمکن چگالیده می­شود]6[.

شکل 2- تولید آب شیرین با روش تقطیر ناگهانی چندمرحله‌ای]6[

 

این سیستم­ها شامل سه بخش ورودی حرارت، دفع حرارت و بازیافت حرارت است، بخش­های دفع و بازیافت حرارت شامل تعدادی محفظه است که به هم مرتبط می­شوند. آب دریا قبل از ورود به گرم‌کن از کویل­های اتاقک خلأ می­گذرد که این عمل به دو منظور انجام می­شود:

1. پیش­گرمایش آب سرد دریا قبل از ورود به گرم‌کن
2. چگالش بخار در اتاقک­ها برای تهیه آب شیرین

انرژی موردنیاز این روش شامل انرژی الکتریکی برای پمپ کردن آب‌شور و انرژِی حرارتی برای گرم کردن آب­شور می­باشد. لازم به ذکر است که تبخیر ناگهانی آب بر روی لوله­های چگالنده ایجاد رسوب می­کند، درنتیجه این قسمت نیاز به تعویض و تمیز کردن مکرر دارد]3[.

 

1-6-1-2 روش تقطیرموثر چندمرحله­ای

این روش برای تولید مقادیر زیاد آب مورداستفاده قرار می­گیرد. این سیستم­ها مبتنی بر تولید آب در مراحل مختلف هستند. ساده­ترین نوع آن­ها، آب­شیرین­کن تک‌مرحله‌ای است که برای مصارف صنعتی کاربرد دارد. اصلی­ترین اجزای این واحد شامل تبخیر­کننده، چگالنده و پیش­گرمکن­آب تغذیه است. تبخیرکننده شامل مبدل حرارتی، فضای بخار، حوضچه آب تبخیر نشده، محل خروج گازهای غیرقابل چگالش، سیستم اسپری آب و یک فیلتر ­می­باشد]3[.

شکل 3- تولید آب شیرین با روش تقطیرموثر چندمرحله­ای]3[

 

1-6-1-3 روش متراکم سازی بخار

این روش عموماً برای واحدهای نمک­زدایی کوچک و یا متوسط کاربرد دارد. در این روش برخلاف روش تقطیری    چندمرحله­ای، گرمای لازم برای تبخیر از مبادله مستقیم گرما با بخارآب تولیدی بویلر به دست نمی­آید بلکه از طریق    فشرده­سازی بخار به دست می­آید. از کمپرسورهای مکانیکی و حرارتی برای استفاده از گرمای حاصل از چگالش برای تبخیر آب­شور استفاده می­شود.

در سیستم­های متراکم ساز با کمپرسورهای مکانیکی ابتدا کمپرسور، خلائی را در محفظه اصلی ایجاد می­کند، درنتیجه دمای بخار بالا می­رود و بعد به داخل دسته لوله­هایی که در داخل همین محفظه تعبیه‌شده است هدایت می­شود که باعث داغ شدن سطح لوله­ها می­گردد، آنگاه آب دریا بر روی این دسته لوله­های داغ اسپری می­شود که درنتیجه قسمتی از آب دریا تبخیر می‌گردد و بخارآب حاصل به آب خالص تبدیل می­شود.

در سیستم­های متراکم ساز با کمپرسورهای حرارتی ابتدا بخار ورودی از طریق نازل وارد کمپرسور می­شود و انبساط آن باعث می­شود تا در لوله اصلی فشار پایین آید و بخار از محفظه به داخل کمپرسور مکیده شود. حال این دو بخار باهم ترکیب‌شده و سپس فشرده می­شوند و بعد وارد دسته لوله­ها می­شوند که در اثر تقطیر گرمای لازم برای تبخیر آب دریا که با سطح لوله­ها در تماس است را ایجاد می­کنند]6[.

 

 

 

1-6-2 روش­های غشایی تولید آب شیرین

در طبیعت، غشاها نقش مهمی در جداسازی یون­های نمک از آب ایفا می­کنند و در دو روش تجاری به نام الکترودیالیز و اسمز استفاده می­شود]3[.

1-6-2-1 اسمز معکوس(RO)[7]

دو ظرف مطابق شکل 4 یکی حاوی آب‌نمک و دیگری حاوی آب خالص که توسط یک لوله به یکدیگر متصل بوده و هر دو دارای ارتفاع مساوی از آب باشند، فرض کنید. برای برقراری تعادل در یون­های سدیم و کلرید از ظرف آب‌نمک، یون­های نمک به‌صورت نفوذ مولکولی به ظرف آب خالص انتقال‌یافته تا تعادل غلظت بین هر دو طرف برقرار گردد؛ اما اگر بین این دو ظرف و در مسیر جریان آب، یک غشا قرار گیرد که فقط اجازه عبور مولکول­های آب را دهد، یون­های نمک اجازه عبور نخواهند داشت. لذا برای برقراری تعادل در غلظت، آب خالص از ظرف شماره دو به ظرف شماره یک انتقال می­یابد و این عمل تا آنجا ادامه می­یابد که افزایش ارتفاع حاصله در ظرف آب‌نمک، فشار مضاعف ایجاد کرده و اجازه انتقال آب از ظرف شماره دو به شماره یک را ندهد، این فشار را فشار اسمزی می­گویند.

شکل 4- تعادل یون­های نمک و آب]7[

 

چنانچه جریان را برعکس کرده یعنی از ظرف شماره یک به ظرف شماره دو انتقال دهیم لازم است فشاری بیش­تر از فشار اسمزی به محلول آب­نمک اعمال کنیم که این فشار را فشار عملیاتی ­می­گویند و آن را با P نمایش می­دهند. لذا مقدار فشار خالص که باعث می­گردد آب از ظرف آب‌نمک به ظرف آب خالص انتقال یابد برابر P-F است و فشار محرکه نامیده می­شود.

شکل 5- اسمز معکوس]7[

در مثال مذکور فرآیند اسمز معکوس تشریح شد، اما در صنعت لازم است تصفیه آب به‌صورت پیوسته انجام شود و اگر بخواهیم مطابق با این مثال عمل تصفیه را انجام دهیم، افزایش غلظت نمک در ظرف یک باعث ازدیاد فشار اسمز معکوس  می­شود، لذا بایستی دائماً فشار عملیاتی را زیاد کرده و برای جلوگیری از این مشکل همواره جریانی از قسمت محلول غلیظ از دستگاه خارج کنیم تا غلظت ثابت بماند]7[.

 

1-6-2-2  الکترودیالیز(ED[8])

در روش الکترودیالیز از پتانسیل الکتریکی برای جداسازی آب و نمک استفاده می­شود به‌طوری‌که نمک را از یک غشاء عبور داده و آب در پشت غشاء باقی بماند. درحالی‌که در روش اسمز همان­طور که گفته شد به‌جای پتانسیل الکتریکی از فشار استفاده می­شود.

در این روش از ورقه­های فلزی استفاده می­گردد که نقش رزین­های تبادل کننده یونی را بازی می­کنند؛ یعنی ورقه­هایی نقش آنیون و ورق­هایی نقش کاتیون را به عهده دارند. اصل اساسی در این فرآیند، انتخاب یون­های موجود در آب است و با پیل­های راه­انداز جریان الکتریسیته مستقیم کار می­کنند. بدین‌صورت که اگر آب­نمک از بین دو ورقه آنیون و کاتیون عبور کند و جریان الکتریسیته مستقیمی از محلول عبور داده شود، کاتیون­ها و آنیون­های موجود در آب‌شور جذب ورقه­ها شده و آب مابین دو ورقه نمک‌زدایی می­گردد]8[.

شکل 6 – روش الکترودیالیز]8[

 

 

 

1-7 آب‌شیرین‌کن خورشیدی

آب‌شیرین‌کن خورشیدی یک تاریخ طولانی دارد. اولین سند در رابطه با استفاده از تقطیر آب با انرژی خورشید در قرن شانزدهم اتفاق افتاده است. اولین نمونه صنعتی آب‌شیرین‌کن خورشیدی در سال 1872 توسط یک مهندس سوئدی به نام کارلوس ویلسون ساخته‌شده است که با تقطیر خورشیدی، آب آشامیدنی یک معدن را در شیلی تأمین کرد]9[.

انرژی خورشیدی می­تواند هم برای تولید برق توسط صفحات فتوولتائیک خورشیدی و هم جذب گرما توسط کلکتورهای خورشیدی و یا حوضچه­های خورشیدی مورداستفاده قرار گیرد و منبع تأمین انرژی حرارتی یا الکتریکی موردنیاز            آب­شیرین­کن­ها را تأمین نماید]10[.

انواع فناوری‌های آب­شیرین­کن خورشیدی در شکل 7 نمایش داده شده است.

شکل 7- انواع فناوری‌های آب­شیرین­کن خورشیدی]4[

 

 

1-7-1 آب‌شیرین‌کن خورشیدی مستقیم[9]

در این نوع فناوری، سیستم­هاي تقطیر خورشیدی آب‌شور را به ظرف کم­عمقی که کاملاً آب‌بندی‌شده و با هواي خارج ارتباطی ندارد، وارد می­کنند. پوشش شفافی مانند شیشه و یا پلاستیک، سطح فوقانی ظروف مربوطه را می­پوشاند. انرژي خورشید با طول‌موج‌های مختلف از شیشه گذشته و نور خورشید با آب داخل ظرف و سطح جاذب برخورد نموده و آب گرم می­شود. پوشش شفاف مانع خروج اشعه‌های خورشید از محفظه شده و به­علاوه باعث می­شود که افت گرمایی از طریق جابجایی به مقدار زیادي کاهش یابد. به‌این‌ترتیب انرژی گرمای خورشید در دستگاه آب‌شیرین‌کن محصورشده و موجب افزایش دماي آب و تولید بخارآب در محفظه می­گردد. به‌تدریج که رطوبت نسبی در محفظه افزایش می­یابد، بخارآب در اثر دفع گرما از شیشه، روي سطح داخلی شیشه تقطیرشده و آب شیرین حاصله به‌طرف محل جمع‌آوری در انتهاي پوشش حرکت ­می­کند و به‌این‌ترتیب با استفاده از انرژي خورشید و عمل تقطیر، آب شیرین تهیه می­شود. آب‌نمک غلیظ ­شده نیز به‌طور مداوم یا متناوب از دستگاه خارج می‌شود. شکل 8 نمونه کلی این‌گونه آب‌شیرین‌کن‌ها رانشان می­دهد. مهم‌ترین عامل مؤثر در آب‌شیرین‌کن‌هاي خورشیدي شدت نور خورشید می­باشد زیرا میزان تولید آب شیرین با شدت تابش خورشید نسبت مستقیم دارد. به­علاوه عواملی چون دماي محیط، سرعت باد و دماي آب‌شور در مقدار بازدهی دستگاه مؤثر می­باشند]11[.

شکل 8 – دستگاه تقطیر آب‌شیرین‌کن خورشیدی مستقیم ]11[

 

1-7-2 آب‌شیرین‌کن خورشیدی غیرمستقیم[10]

در این فناوری، سیستم به دو زیرسیستم تقسیم‌شده است. یکی قسمت آب­شیرین­کن (نمک‌زدایی آب) و یکی قسمت صفحات کلکتور خورشیدی. صفحه کلکتور خورشیدی می­تواند، یک صفحه مسطح، لوله­های خلأ یا صفحات متمرکز کننده خورشیدی باشد که با یک پروسه آب­شیرین­کن (نمک‌زدایی آب) کوپل شده است. پروسه آب­شیرین­کن (نمک‌زدایی آب) بر اساس اصل تبخیر و تقطیر است که انواع آن عبارت‌اند از: تقطیر ناگهانی چندمرحله‌ای (MSF)، تقطیر مؤثر چندمرحله‌ای (MED) و متراکم سازی بخار (VC) که منبع تأمین‌کننده حرارت آن انرژی خورشیدی است. سیستم­هایی که تجهیزات فتوولتائیک (PV[11]) را به کار می­گیرند، تمایل دارند که الکتریسیته موردنظر روش­های اسمز معکوس(RO) و الکترودیالیز(ED) را تأمین کنند]12,13[

 

 

 1-7-2-1  آب‌شیرین‌کن (نمک‌زدایی خورشيدي) به شیوه رطوبت زني– رطوبت‌گیری[12]

ایده اصلي پشت سيستم نمک­زدايي خورشيدي به ­شيوه رطوبت زنی رطوبت­گيري، اين است که ظرفيت حمل رطوبت توسط هوا، با افزايش دما افزايش مي­يابد. در اين سيستم، وقتي هواي گرم شده که به­صورت طبيعي يا اجباري به گردش درآمده و با اسپري شدن در اواپراتور در تماس با آب‌شور قرار مي­گيرد، مقدار مشخصي بخارآب از آب‌شور به دست می‌آید که مي­توان در کندانسور آن را بازيابي کرد. چهار نوع پيکربندي اصلي نمک­زدايي خورشيدي به ­شيوه رطوبت زنی رطوبت­گيري عبارت­اند از: سيکل آب‌باز – هوا بسته، سيکل آب بسته – هوا باز، سيکل آب‌باز – هوا باز و سيکل آب بسته – هوا بسته. در سيکل آب بسته، آب‌شور تخليه­شده از اواپراتور با آب تغذيه مخلوط می‌شود؛ اما در سيکل آب‌باز، آب‌شور، در هر مرحله از فرايند، از سيستم دفع مي­شود.

شکل 9 – آب‌شیرین‌کن (نمک‌زدایی آب) خورشیدی به روش رطوبت زنی و رطوبت‌گیری ]14[

 

به‌طورکلی، نرخ آب مقطر توليدي از يک واحد نمک­زدايي به­ شيوه رطوبت زنی – رطوبت­گيري، بسيار وابسته به دبي و دماي آب تغذيه و نيز دماي هواي ورودي بوده و با پیش گرم کردن آب‌وهوا افزايش مي­يابد]15[. هميشه مقدار بهينه­اي براي دبي جريان آب ورودي به­منظور خشک‌کردن هوا وجود دارد که در اين حالت بيشينه نرخ انرژي حرارتي براي مقدار مشخصي از دماي آب بازيابي مي­شود. همچنين با افزايش تعداد مراحل نيز نرخ انرژي حرارتي بازيابي شده افزايش مي­يابد. تجزیه‌وتحلیل اقتصادي اين سيستم نشان مي­دهد که اين سيستم می‌تواند براي ظرفيت­هاي کوچک‌تر بسيار مناسب‌تر و رقابتي­تر باشد.

 

1-7-2-2  آب‌شیرین‌کن (نمک‌زدایی خورشيدي) به شیوه اسمز معکوس (RO)

اسمزي معکوس فرايند نمک­زدايي تحت تأثير فشار است که در آن، آب تغذيه تحت تأثير فشار و به‌اجبار از غشاء عبور مي­کند. اگر فشار مورداستفاده بيشتر از فشار اسمزي باشد، آب شيرين پس از عبور از غشاء در لوله‌های جمع‌آوری‌شده و آب‌شور باقيمانده نيز تخليه مي­شود. ميزان بازيابي آب شيرين براي يک واحد اسمزي معکوس براي آب‌شور دريا در حدود ۲۵ تا ۴۵ درصد بوده و براي آب لب­شور، در حدود ۹۰ درصد مي­باشد(شکل 10). ميزان انرژي موردنیاز براي فرايند اسمزي معکوس به خواص غشاء و ميزان شوري آب تغذيه بستگي دارد. بخش­هاي اصلي يک سيستم اسمزي معکوس عبارت است از ماژول‌های غشاء، پمپ­هاي فشار بالا، منبع انرژي و سيستم بازيابي انرژي.

شکل 10- آب‌شیرین‌کن (نمک‌زدایی خورشيدي) به شیوه اسمز معکوس ]16[

 

1-7-2-3 آب‌شیرین‌کن (نمک‌زدایی خورشيدي) به شیوه الکترودیالیز خورشیدی (ED)

الکترودياليز فرايند جداسازي نمک از آب‌شور است. يک واحد نمک­زدايي الکترودياليز شامل بخش­هاي کوچک‌تری است که با آب دريا پر و با غشاهاي تبادلي آنيون و کاتيون از هم جداشده‌اند. وقتي قطب DC بين کاتد و آند اعمال مي­شود، يون­هاي منفي از غشاهاي تبادلي آنيون عبور و يون­هاي مثبت از غشاهاي تبادلي کاتيون عبور مي­کنند و تعداد یون‌ها در يک بخش ويژه افزایش‌یافته و به­عنوان آب‌شور تخليه از سيستم خارج مي­شوند. قطب معکوس هر ۲۰ دقيقه اعمال مي­شود تا از رسوب نمک‌ها در غشاها جلوگيري کند. اصول کارکرد يک سيستم الکترودياليز خورشیدی در شکل 11 نشان داده‌شده است.

شکل 11- آب‌شیرین‌کن (نمک‌زدایی خورشيدي) به شیوه الکترودیالیز خورشیدی]17[

 

• چالش‌های موجود در استفاده از آب­شیرین­کن خورشیدی و کاربرد نانو فناوری

امروزه نياز به آب شيرين، به دلیل صنعتی شدن و نيز افزايش استانداردهاي زندگي بشر روزبه­روز در حال افزايش است. به­طور طبيعي، ذخاير آب شيرين در دسترس که کمتر از ۳ درصد کل آب‌های زمين است، قادر به تأمين آب شيرين موردنیاز بشر نيست]18[. خوشبختانه توسعه فن­آوری­هاي نمک­زدايي، ظرفيت حل مشکل يادشده را فراهم آورده است. بر اساس آمار منتشرشده توسط انجمن بين­المللي نمک­زدايي تا سال ۲۰۱۳ م، بيش از ۸۰ ميليون مترمکعب آب شيرين در روز از منابع آب‌شور موجود در جهان به‌دست‌آمده که بيش از ۳۰۰ ميليون نفر از اين آب‌های شيرين به‌دست‌آمده به­طور مستقيم استفاده می‌کنند]19[. مطابق با همين آمار، به­منظور توليد اين ميزان آب شيرين در روز، بيش از ۱۷۰۰۰ واحد نمک­زدايي به کار گرفته‌شده است که عمده اين واحدها، واحدهايي در مقياس بزرگ با ميزان توليد بالاي آب در روز مي­باشند.

به‌طورکلی براي بسياري از مردم، به­خصوص آن‌هایی که در این‌گونه جوامع زندگي مي­کنند، انتظار براي ساخت و راه­اندازي شبکه توزيع و تصفیه آب، مشکل بهداشت و کمبود آب آن‌ها را حل نمي­کند. به‌طورکلی انتقال آب شيرين به چنين مناطقي يکي از مشکلات بزرگ تلقي مي­شود. راه­اندازي آب­شيرين­کن­هاي صنعتي بزرگ در اين مناطق هزينه­هاي بسياري تحميل نموده، به­نحوي­که چنين طرح‌هایی را غيراقتصادي مي­نمايد. بنابراين بايد در پی راهکاري ديگر بود. يک راهکار مناسب استفاده از انرژی رایگان خورشیدی برای فرآیند نمک‌زدایی آب (آب‌شیرین‌کن) و بهبود عملکرد این تجهیزات با فناوری نانو است.

فناوری آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی زمانی می­تواند به‌عنوان یک روش اصلی تأمین آب مورد استقبال عموم مردم قرار گیرد که بر این چالش­ها غلبه کند:

 

 

 

• هزینه نسبتاً بالای سیستم­های آب‌شیرین‌کن خورشیدی:

همان­طور که در این گزارش مطرح شد در حال حاضر تولید هر مترمکعب آب شیرین 50 تا 80 سنت هزینه دارد که باید با ارتقاء این سیستم این هزینه را تا حد امکان کاهش داد. با استفاده از فناوری نانو در فرآیند تولید آب شیرین می­توان این هزینه را کاهش داد.

• راندمان کم آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی:

در سيستم تقطير خورشيدي، آب مقطر به‌دست‌آمده داراي کيفيت بسيار بالايي است، اما مقدار به‌دست‌آمده از واحد ساده آن در مقايسه با مساحت موردنياز واحد، در محدود بسيار کمي است و بازده آن نيز پايين مي­باشد. براي سيستم رطوبت زنی رطوبت­گيري، اگرچه تجزیه‌وتحلیل اقتصادي آن نشان می‌دهد که اين سيستم می‌تواند براي ظرفيت­هاي کوچک‌تر بسيار مناسب‌تر و رقابتي­تر باشد، اما در ظرفيت­هاي بالا، براي کارکرد بهينه نياز به تعداد بالايي مرحله دارد که هزینه سيستم را بسيار بالا مي­برد. با کمک فناوری نانو می­توان با افزایش راندمان سیستم، نرخ آب شیرین تولیدی را افزایش داد.

 

• کیفیت پایین آب تولیدی آب‌شیرین‌کن خورشیدی:

هدف اصلی ما در آب‌شیرین‌کن خورشیدی، تأمین آب آشامیدنی است، لذا صرف نمک‌زدایی از آب­های شور کافی نیست و باید به کمک روش­هایی نظیر بهره‌مندی از فناوری نانو، آلاینده­های موجود در آب را حذف کرد که آب تولیدی، قابلیت شرب داشته باشد.

 

• فناوری نانو در آب­شیرین­کن خورشیدی

اخیراً نانوتکنولوژی باعث توسعه فرآیند شیرین سازی آب با کمک انرژِی خورشیدی شده و ترکیب دو فناوری جدید انرژی خورشیدی و نانو، باعث پیشرفت در حوزه آب‌شیرین‌کن‌ها شده است. نتایج اصلی استفاده از فناوری نانو به‌صورت زیر می­شود:

• افزایش جذب انرژی حرارتی خورشید
• افزایش راندمان تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی گرمایی (در آب­شیرین­کن­های حرارتی)
• افزایش نرخ تولید آب
• حذف آلاینده­های آب تولیدی نهایی (در آب­شیرین­کن­های غشایی)
• کاهش هزینه (به دلیل کاهش سطح و کاهش مواد مصرفی)

 

 

کاربردهای فناوری نانو در آب­شیرین­کن­های خورشیدی را می­توان در موارد زیر خلاصه نمود:

3-1 افزایش نرخ تولید آب با به­کارگیری نانو مواد:

نانو مواد جدید درصد جذب نور خورشید را بالابرده و راندمان تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی حرارتی را بالابرده‌اند. پایه این ایده بر این اساس است که افزودن نانو کامپوزیت‌ها به آب‌شور ورودی دستگاه در دستگاه­های تقطیر خورشیدی، باعث افزایش نرخ تبخیر آب و درنتیجه افزایش نرخ تولید آب شیرین خروجی می­شوند.

نانو کامپوزیت پیشنهادی ترکیب نانو موادی مثل نقره و طلا روی صفحات گرافن است. ذرات طلا و نقره خاصیت جذب‌کنندگی قوی نور خورشید دارند (شکل 12). گرافن نیز خاصیت جذب‌کنندگی قوی دارد و بیش­ترین ضریب رسانایی را بین کل مواد موجود دارد. ترکیب این دو باعث می­شود که تبدیل انرژی خورشیدی به حرارتی در آب­شیرین­کن­های خورشیدی دارای بازدهی بالایی باشد.

شکل 12 – طیف جذب یک میکروگرم نانوذره طلا در غلظت­های مختلف گرافن]20[

 

در شکل 13 مقایسه­ای بین نرخ افزایش دما برای آب دریا در حوضچه آب­شیرین­کن خورشیدی برای 5 حالت: آب دریا- آب دریا به همراه نانو ذرات نقره – آب دریا به همراه نانو ذرات نقره – آب دریا و گرافن – آب دریا و ترکیب گرافن و نانو ذرات طلا، انجام‌شده است. مشخص است که بهترین حالت، ترکیب آب دریا و گرافن و نانو ذرات طلا است و طی مدت 60 دقیقه دمای آب به 100 درجه رسیده است و فرآیند تبخیر انجام‌شده است.

شکل 13 – تأثیر نانو ذرات طلا و نقره روی افزایش سرعت نرخ تبخیر آب دریا در آب­شیرین­کن خورشید (a آب دریا، (b آب دریا به همراه نانو ذرات نقره، (c آب دریا به همراه نانو ذرات طلا، (d آب دریا به همراه گرافن، (e آب دریا به همراه ترکیب گرافن و نانو ذرات طلا ]21[

 

نانو موادی که می­توانند برای بهبود عملکرد آب­شیرین­کن خورشیدی به آب‌شور اضافه شوند، مطابق شکل 14 می­باشند:

شکل 14 – نانو مواد باقابلیت اضافه شدن به آب‌شور برای افزایش نرخ جذب حرارت آب در آب‌شیرین‌کن]22[

 

 

3-2 تولید آب کاملاً بهداشتی با به­کارگیری محصولات غشایی حاوی حفرات نانومقیاس:

یکی از روش­های پرکاربرد در آب­شیرین­کن­های خورشیدی، استفاده از روش اسمز معکوس (RO) است. نانوفیلتراسیون (NF[13]) نیز مانند اسمز معکوس عمل می­کند و برای عملکرد به فشار کمتری (psi140-70) نسبت به اسمز معکوس نیاز دارد و ذرات جامد و آلاینده آب را حذف می‌کند. ترکیب نانو فیلتر و اسمز معکوس جزء کلیدی پیشرفت در آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی است که آب خالص باکیفیت بالا و عاری از مواد آلاینده مثل باکتری و ویروس را تولید می­کند]23[.

هم­چنین نانو ذرات نقره دارای خاصیت آنتی باکتریال است که افزودن آن به آب‌شور طی پروسه تولید آب شیرین باعث تولید آب کاملاً بهداشتی و عاری از هرگونه آلاینده می­شود]24[.

در حال حاضر از غشاهای نیمه‌تراوا که حاوی حفرات نانومقیاس هستند، در بسیاری از کاربردهای مربوط به نمک‌زدایی و تصفیه آب استفاده می‌شود. به‌طورکلی غشاها ورقه‌های باریک یا فیلم‌های سطحی طبیعی یا سنتزی هستند که حاوی حفراتی در خود هستند؛ مولکول‌های کوچک می‌توانند از این حفرات عبور کنند، اما مولکول‌های بزرگ در یک سمت غشا نگه‌داشته می‌شوند. غشاهای ساخته‌شده از مواد مختلف (عمدتاً پلیمرهای سنتزی) می‌توانند ذرات را تا محدوده اندازه‌های مولکولی یا یونی فیلتر کنند. مواد شیمیایی جداشده از بین نرفته بلکه تغلیظ می‌شوند. غشاها به این دلیل نیمه‌تراوا نامیده می‌شوند که برخی از ذرات می‌توانند از آن‌ها عبور کنند، درحالی‌که ذرات دیگر این امکان را ندارند. به‌طورمعمول یون‌های کوچک، آب، حلال‌ها، گازها و مولکول‌های بسیار کوچک دیگر می‌توانند از غشاها رد شوند، درحالی‌که یون‌های دیگر و ماکرو مولکول‌هایی همچون پروتئین‌ها و کلوئیدها نگه‌داشته می‌شوند. محصولات غشایی حاوی حفرات نانومقیاس بسته به‌اندازه حفرات خود در سه دسته طبقه‌بندی می‌شوند]25[:

• عناصر غشایی اسمز معکوس(RO)
• عناصر غشایی نانوفیلتراسیونی(NF)
• عناصر غشایی اولترافیلتراسیونی(UF[14])

3-2-1 عناصر غشایی اسمز معکوس

به‌طورکلی اسمز معکوس به عبور آب از یک غشای نیمه‌تراوا تحت‌فشار بالا و از طریق مکانیسم انتشار محلول گفته می‌شود. یون‌ها، ویروس‌ها، باکتری‌ها، ترکیبات آلی و کیستها از روی سطح غشا پس‌زده شده و نمی‌توانند از آن عبور نمایند. هرچه فشار بالاتر باشد، نیروی پیشران در سرتاسر غشا بالاتر خواهد بود. به‌طورمعمول مولکول‌هایی با وزن مولکولی بالاتر از حدود 150 تا 250 دالتون از سطح غشا پس‌زده می‌شوند. هرچه اندازه ذره و بار آن بیشتر باشد، احتمال عبور آن از غشا کمتر است. بخش اصلی سامانه اسمز معکوس، یک غشای نیمه‌تراوا یا یک (فیلتر مولکولی) است که بیش از 99 درصد از ذرات نامحلول را حذف می‌کند. باوجودی که می‌توان از پلیمرها و مواد مختلفی برای تولید غشاهای اسمز معکوس بهره برد، این فناوری پیشرفت کرده و در حال حاضر از غشاهای کامپوزیتی فیلم نازک استفاده می‌شود؛ این غشاها به‌طورمعمول از یک پلی آمید(PA-نایلون) ساخته می‌شوند که روی یک بستر پلی سولفونی یا مخلوط استات سلولز پلیمریزه شده است. باوجودی که ساختارهای مختلفی برای غشاهای اسمز معکوس شناخته‌شده است، پیشرفته‌ترین آن‌ها که در بازار امروزی به کار می‌رود، عناصر مارپیچی هستند که در آن‌ها ورقه‌های غشایی مسطح به شکل مارپیچ‌هایی دور یک استوانه تراوا پیچیده شده‌اند. این عناصر غشایی مارپیچی درون یک محفظه فشار قرار داده می‌شوند. غشاهای اسمز معکوس در دو مدل (میزان دفع استاندارد) یا (میزان دفع بالا) برای آب دریا و آب‌شور وجود دارند. نرخ پس‌زدگی به درصدی از ذرات نامحلول که از غشا عبور نکرده و از سطح آن دفع می‌شوند، اطلاق می‌شود. به‌عنوان‌مثال یک غشا با نرخ پس‌زدگی 99 درصد (بر مبنای سدیم) تنها به 1 درصد از ذرات نامحلول در آب اجازه عبور از خود معمول را می‌دهد. برای استفاده از اسمز معکوس در نمک‌زدایی آب باید فشار اسمزی آب افزایش یابد (به‌طورمعمول تا دو برابر). یک سامانه معمول برای ایجاد فشار اسمزی psi376 باید در فشار psi800 کار کند. دمای آب اولیه، کل ذرات نامحلول[15] در آن، سن غشا و میزان گرفتگی آن بر فشار موردنیاز برای انجام اسمز معکوس تأثیر می‌گذارند. بسیاری از سامانه‌های اسمز معکوس برای کار با آب خام در دمای 25 درجه سانتی‌گراد طراحی می‌شوند، اما با تغییر در طراحی این سامانه‌ها می‌توان امکان کار در دماهای بالاتر و پایین‌تر را نیز ایجاد کرد. با افزایش دما میزان عبور آب و نمک از غشا افزایش‌یافته و فشار کمتری برای کار نیاز است. در دماهای پایین‌تر عبور نمک کمتر شده و فشار کار افزایش می‌یابد. در این حالت اگر فشار افزایش نیابد، میزان تولید آب تصفیه‌شده کم می‌شود. بسیاری از فرایندهای اسمز معکوس در حالتی که به نام جریان متقاطع[16] معروف است، کار می‌کنند. در این حالت میزان گرفتگی و کثیف شدن غشا کم می‌شود، اما برای تمیز کردن غشا در فاصله‌های زمانی مشخص همچنان نیاز به  شستشوی برگشتی و استفاده از برخی مواد شوینده وجود دارد. گرفتگی و کثیفی غشا اجتناب‌ناپذیر است، اما با انجام طراحی مناسب سیستم می‌توان مقدار آن را کاهش داد. با عبور مقداری از سیال از غشا، سیال باقیمانده به سمت پایین‌دست حرکت کرده و اجزای دفع شده را نیز با خود حمل می‌کند تا سطح غشا تمیز باقی بماند. در فرایند اسمز طبیعی، آب از سمت خالص‌تر غشا به سمتی که ناخالصی بیشتری وجود دارد، حرکت می‌کند تا غلظت ناخالصی‌ها را در آنجا کاهش دهد؛ در اسمز معکوس این فرایند باید برعکس شود. معمول‌ترین نیرویی که برای عبور معکوس سیال از غشا استفاده می‌شود (هل دادن سیال به سمت خالص‌تر)، فشار ایجادشده توسط یک پمپ است.

3-2-2 عناصر غشایی نانوفیلتراسیونی

غشاهای نانوفیلتراسیونی اولین بار برای حذف تری هالو متان‌ها از آب آشامیدنی تولید شدند. با استفاده از اسمز معکوس نمی‌توان تری هالو متان‌ها را که در اثر واکنش میان هیومیک اسید با کلر در طول فرایند ضدعفونی کردن آب تولید می‌شوند، حذف کرد. محققان برای حل این مشکل روی غشاهای اسمز معکوس (آزاد) شروع به تحقیق نموده و غشاهایی تولید کردند که اجازه عبور نمک، آب و مولکول‌های آلی با وزن مولکولی پایین‌تر از 200 را می‌داد.  ازآنجایی‌که وزن مولکولی 200 معادل با یک مولکول بزرگ با اندازه یک نانومتر است، این غشاهای جدید به نام غشاهای نانوفیلتراسیونی معروف شدند. سامانه‌های نانوفیلتراسیونی در فشار نسبتاً پایین میان psi75 و psi150 کار می‌کنند.  اولین مرکز نانوفیلتراسیون در سال 1977 در فلوریدا آغاز به کار کرد. تا سال 1996 ظرفیت تولید آب توسط مراکز نانوفیلتراسیون در آمریکا به 227 هزار مترمکعب آب در روز رسید که تمام آن‌ها در فلوریدا واقع‌شده بودند. در سال 2007 روزانه حدود 1400000 مترمکعب آب توسط این روش در آمریکا تولید می‌شد. از غشاهای نانوفیلتراسیونی برای (نرم‌سازی) آب استفاده می‌شود که در آن سختی آب کم شده و مواد آلی، رنگ، باکتری‌ها و ناخالصی‌های دیگر از آب خام جدا می‌شوند. نرم‌سازی فرایندی است که در آن نیاز بالایی به نمک‌زدایی وجود نداشته و حتی ممکن است این کار مطلوب نباشد. باوجودی که برای نمک‌زدایی و تصفیه آب دریا و آب‌های شور که جامدات نامحلول زیادی در خوددارند، باید از فرایند اسمز معکوس استفاده شود، بسیاری از منابع آبی نیازی به نمک‌زدایی کامل ندارند. در فرایند نانوفیلتراسیون بخشی از مواد معدنی از آب جداشده و بین 10 تا 90 درصد نمک‌های نامحلول از آب حذف می‌شوند، درحالی‌که در اسمز معکوس تا 5/99 این مواد فیلتر می‌شوند. سطح پایین سختی کلسیم که در آب تصفیه‌شده توسط نانوفیلتراسیون باقی می‌ماند، طعم خوب و شیرینی به آب می‌دهد. از نانوفیلتراسیون در حذف آرسنیک نیز می‌توان بهره برد.

3-2-3 عناصر غشایی اولترافیلتراسیونی

در اولترافیلتراسیون از یک غشای نیمه‌تراوا برای فیلتر کردن یک محلول که حاوی برخی عناصر مطلوب و برخی عناصر نامطلوب است، استفاده می‌شود. در بسیاری از موارد از اختلاف فشار به‌عنوان نیروی پیشران آب از درون غشا استفاده می‌شود(فشار مثبت یا خلأ). در این فرایند به‌طورمعمول از فشارهای مابین psi30 تا psi150 استفاده می‌شود، اما در برخی موارد فشارهای بالای psi360 تا psi 430 نیز به کار می‌روند. اولترافیلتراسیون تا حدی به بار ذرات جداشونده بستگی دارد، اما  تمرکز اصلی این فرایند بر اندازه ذرات است. غشاهای اولترافیلتراسیونی با دارا بودن حفرات 1 تا 100 نانومتری می‌توانند اجزای با وزن مولکولی 300 تا 100000 دالتون را از آب جدا نمایند. این غشاها به‌طورمعمول همانند غشاهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیونی به‌جای اینکه با اندازه ذرات جداشده توسط آن‌ها برحسب میکرون توصیف شوند، توسط فاکتور جدایش وزن مولکولی (MWCO[17])می‌شوند. درگذشته تعیین مشخصات غشاهای اولترافیلتراسیونی توسط نفوذپذیری پروتئین‌ها و پلی‌اتیلن گلیکول‌ها تعیین می‌شد و تقسیم‌بندی این مولکول‌ها بر اساس وزن مولکولی آن‌ها صورت می‌گرفت؛ به همین دلیل توصیف این غشاها همچنان بر پایه این رسم قدیمی و بر اساس MWCO انجام می‌شود. باوجودی که مشخص‌شده است پروتئین‌ها تنها توسط وزن مولکولی خود توصیف نمی‌شوند، این اصطلاح هنوز هم استفاده می‌شود. نمک‌ها و اجزای دارای وزن مولکولی پایین از غشای اولترافیلتراسیونی عبور کرده و جامدات معلق بزرگ‌تر در سمت جریان ورودی باقی‌مانده و تغلیظ می‌شوند. از غشاهای اولترافیلتراسیونی می‌توان برای جداسازی مولکول‌های زیستی، شکرها، تانین ها، لیگنین ها، برخی مواد رنگی، رنگ‌دانه‌های رنگ و جوهر، پشم‌شیشه، ویروس‌ها، باکتری‌ها، عناصر قابل اشتعال، اندوتوکسین ها، پلیمرها و ذرات کلوئیدی استفاده کرد. بااین‌حال این غشاها نمی‌توانند یون‌ها را از آب جدا کنند. اندازه و شکل مولکول‌ها، جنس و ساختار غشا و حضور مواد دیگر در آب جزء عواملی هستند که نوع اجزای جداشده توسط این غشاها را تعیین می‌کنند. پارامترهای عملکردی سامانه غشایی همچون فشار میان غشایی، دما و PH نیز مهم هستند.

 

 

 

 

4- محصولات صنعتی

در کشور ایران، یک سری تحقیقات درزمینه آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی انجام‌شده است ولی قاعدتاً با توجه به شرایط آبی کشور نیاز به تحقیق و توسعه و ساخت محصول در حوزه نانو با کاربرد در آب‌شیرین‌کن خورشیدی ضروری است. یکی از شرکت­هایی که در این زمینه محصولی به بازار عرضه کرده است شرکت ایفا پژوهش  می‌باشد که غشاهای نانو کامپوزیتی تولید کرده است. به‌طورکلــی کاربردهای غشــاهای اولترافیلتراســیون شــامل موارد زیر اســت: کاربرد برای آب آشــامیدنی، خالص‌سازی اولیه آب‌های صنعتــی، پیش‌تصفیه آب فــوق خالص، پیش‌تصفیه برای نمک‌زدایی آب دریا ]26[.

غشاهای هالو فایبر (الیاف نازک توخالی) ازجمله غشاهای مورداســتفاده در فرآینــد اولترافیلتراســیون اســت کــه کاربــرد فراوانــی در صنایــع مختلــف به‌ویژه آب آشامیدنی و تصفیه فاضلاب، صنایع دارویی، صنایع لبنی و صنعت نفت و گاز دارد.

بسیاری از محصولاتی که در حال حاضر در بازار وجود دارند، محصولات شناخته‌شده تصفیه آب، غشاهای اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون هستند که می‌توان آن‌ها را به‌عنوان محصولات مبتنی بر فناوری نانو تقسیم‌بندی کرد. بخش باقیمانده، محصولات در حال ظهور هستند که بسیاری از آن‌ها در مرحله پیش تجاری‌سازی قرار دارند. ازجمله این محصولات می‌توان به پالایه‌های نانو الیافی، نانولوله‌های کربنی و انواع مختلفی از نانو ذرات اشاره کرد. انتظار می‌رود که با توسعه بیشتر فناوری نانو، کارایی روش‌های مختلف تصفیه و فیلتراسیون آب، همچون خالص‌سازی، نمک‌زدایی، ضدعفونی کردن بهبود یابد. همچنین انتظار بر این است که استفاده از محصولات مبتنی بر فناوری نانو هزینه تصفیه آب را کاهش دهد؛ به‌علاوه پیش‌بینی می‌شود که استفاده از این فناوری عملکردهای جدیدی به مواد موجود بیفزاید. با درک بهتر شیمی سطحی نانو ساختارها، امکان کنترل واکنش‌ها با استفاده از نانو مواد به‌منظور کاهش تولید ضایعات نیز به وجود خواهد آمد. در حال حاضر کشورهای پیشرفت‌های همچون آمریکا، آلمان و ژاپن محل اصلی توسعه فناوری نانو به شمار می‌روند. بااین‌حال پژوهشگران اقتصادهای نوظهور نیز در کنار محققان کشورهای توسعه‌یافته درزمینه تحقیق و توسعه فناوری نانو فعال هستند. همکاری‌های بین‌المللی زیادی در این حوزه شکل‌گرفته و دانشگاه‌ها و بنگاه‌های اقتصادی مختلف با اهداف مشترک را از تمام جهان با یکدیگر متحد نموده است. در زمینه کاربرد نیز بازار فناوری‌های نانو محدود به کشورهای ثروتمند نبوده و می‌توانند برای مصرف‌کنندگان و همچنین محیط‌زیست کشورهای نوظهور بسیار مفید باشند. کشورهای درحال‌توسعه می‌توانند با بهره‌گیری از فناوری نانو درزمینه تولید آب شیرین جهش بزرگی در این زمینه داشته  باشند.

. در جدول 1 به معرفی برخی از این محصولات پرداخته‌شده است.

 

 

 

 

 

 

جدول 1- نمونه‌ای از محصولات صنعتی در جهان

تصویر محصول	نام محصول	شرکت
	Reverse osmosis membrane brand “AIST”	NANOPLAST [27]
	Reverse Osmosis (RO)	APRIA Systems  [28]
	Nanotube membranes	Mattershift .[29]

 

 

خلاصه مدیریتی

با توجه به این‌که اقلیم آب‌وهوای ایران اغلب خشک و بیابانی است  و منابع آبی در دسترس، خیلی کم است و بیش­تر آن‌ها نیز شور و غیرقابل استفاده برای شرب هستند؛ بنابراین ضرورت داشتن آب شیرین در ایران کاملاً واضح است.  روش­هایی که برای شیرین کردن آب وجود دارند در دو دسته‌بندی کلی عبارت‌اند از: روش­های حرارتی تولید آب شیرین (تبخیری-تقطیری) و روش­های غشایی. با کمک انرژی تجدید پذیر و رایگان خورشیدی می­توان، منبع انرژی حرارتی و الکتریکی موردنیاز آب‌شیرین‌کن‌ها را تأمین نمود. ترکیب دو فناوری نوین خورشیدی و نانو در پروسه تولید آب شیرین، این روش­ را کاربردی‌تر می­سازد.  به­کارگیری نانو مواد، افزایش نرخ تولید آب شیرین و بهبود کیفیت آن را به همراه دارد و درنهایت باعث افزایش راندمان، کاهش هدر رفت انرژی و هزینه در سیستم آب‌شیرین‌کن خورشیدی می‌شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5- مراجع

1. علی محمدی، تولید آب با استفاده از تقطیر هوا، دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه خواجه‌نصیرالدین طوسی، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، 1391
2. W. Rosegrant X. Cai and S.A. Cline, World Water and Food to 2025: Dealing with Scarcity, International Food Policy Research Institude, 2002.
3. علی، فلاح علمداری، بررسی انواع آب‌شیرین‌کن‌های متداول و طراحی یک نمونه آب‌شیرین‌کن خورشیدی، پایان‌نامه کارشناسی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه خواجه‌نصیرالدین طوسی، تابستان 1388.
4. Shatat, M. & Riffat, S. Water desalination technologies utilizing conventional and renewable energy sources. International Journal of Low-Carbon Technologies. (Oxford University Press) 0, 1–19
5. Raluy, R. G. Serra, L. Uche, J. & Valero, A. Life-cycle assessment of desalination technologies integrated with energy production systems. Desalination,2004; 167, 445–458.
6. محمدمهدی امیرآبادی فراهانی، ارزیابی فنی و اقتصادی سیستم آب­شیرین­کن اسمز معکوس، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه‌نصیرالدین طوسی، تابستان 1391
7. سید رضا حسینی، بررسی قابلیت اطمینان در کوپلینگ آب­شیرین­کن­های ترکیبی، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه خواجه‌نصیرالدین طوسی، زمستان 1389
8. حسام حامدی، شبیه‌سازی و تحلیل آب­شیرین­کن خورشیدی، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه خواجه‌نصیرالدین طوسی، اسفند 1389
9. Desalination Technologies and the Use of Alternative Energies for Desalination; 2011 http://www.wipo.int/patentscope/en/programs/patent landscapes/ documents/patent landscapes/948-2E-WEB.pdf accessed 30.09.12.
10. Water and Process Technology; 2012 http://www.gewater.com/what we do/water scarcity/desalination.jsp accessed 30.09.12
11. Al-Karaghouli, A.A. & Kazmerski L.L. (2011). Renewable energy opportunities in water desalination, desalination, trends and technologies, Michael Schorr (Ed.), ISBN: 978-953-307-311-8, InTech. http://cdn.intechopen.com/ pdfs/13758/InTech-Renewable energy opportunities in water desalination.pdf
12. Ali, M. T. Fath, H. E. S., & Armstrong, P. R. (2011). A comprehensive technoeconomical review of indirect solar desalination. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(8), 4187–4199.
13. International Energy Agency (2011). Solar energy perspectives: Executive summary. Archived from the original on 12.03.11
14. Müller-Holst, H., Engelhardt, M., & Schölkopf, W. (1999). Small-scale thermal seawater desalination simulation and optimization of system design. Desalination, 122(2–3), 255–262.
15. Farsad, A. Behzadmehr, Analysis of a solar desalination unit with humidificationdehumidification cycle using DoE method, Desalination, Vol. 278, No. 1–3, pp. 70-76, 2011.
16. Cao, H. Li ,Y. Zhang, L. Zhao, Numerical Simulation and Comparison of Conventional and Sloped Solar Chimney Power Plants: The Case for Lanzhou, The Scientific World Journal, Vol. 2013, pp. 8, 2013.
17. E. Lundstrom, Water desalting by solar powered electrodialysis, Desalination, Vol. 31, No. 1–3, pp. 469-488, 1979.
18. USGS – Earth’s water distribution, https://www.usgs.gov/centers/sa-water (accessed 11 December 2012). Retrieved on 29 December 2012
19. http://www.unwater.org/statistics (accessed 31 August 2017).
20. Gao, X. F.; Jang, J.; Nagase, S., Hydrazine and Thermal Reduction of Graphene Oxide: Reaction Mechanisms, Product Structures, and Reaction Design. Journal of Physical Chemistry C 2010, 114 (2), 832-842.
21. Theron, J. A. Walker and T. E. Cloete, Nanotechnology and Water Treatment: Applications and Emerging Opportunities, Critical Reviews in Microbiology, 34 (2008) 43-69.
22. . Thembela Hillie & Mbhuti Hlophe, Nanotechnology and the challenge of clean water, Nature Nanotechnology 2, 663 – 664 (2007)
23. Theron, J. A. Walker and T. E. Cloete, Nanotechnology and Water Treatment: Applications and Emerging Opportunities, Critical Reviews in Microbiology, 34 (2008) 43-69.
24. Rehab M. Amin, Mona B. Mohamed, Marwa A. Ramadan, Thomas Verwanger, and Barbara Krammer, Rapid and sensitive microplate assay for screening the effect of silver and gold nanoparticles on bacteria, Nanomedicine (2009) 4(6), 637 – 643
25. مجموعه گزارش‌های رصد فناوری نانو در صنعت آب، 2015
26. کتاب محصولات فناوری نانو ساخت ایران( دارای تأییدیه نانومقیاس)، ویرایش پنجم، پاییز 1397
27. https://product.statnano.com/product/9466
28. https://product.statnano.com/product/9675
29. https://product.statnano.com/product/10799

[1] Thermal Process

[2] Membrane

[3] Multi-stage flash distillation

[4] Multi-effect distillation

[5] Vapour-comperession evaporation

[6] Solar water desalination

[7] Revers Osmosis

[8] Electro Dialysis

[9] Direct Process

[10] Indirect Process

[11] Photovoltaic

[12] Humidification and Dehumidification

[13] Nano-Filtration

[14] Ultra-Filtration

[15] TDS

[16] Cross Flow

[17] Molecular Weight Cutoff

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

• گروه صنعتی کاربردهای فناوری نانو در صنعت برق و انرژی

بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================