نمک‌زدایی (یا desalination) فرآیندی است که اجزای معدنی را از آب شور حذف می‌کند. عموما منظور از نمک‌زدایی، حذف نمک‌ها و مواد معدنی از یک ماده هدف است، مانند نمک‌زدایی خاک، که برای حوزه کشاورزی اهمیت دارد. آب شور (به ویژه آب دریا) برای تولید آب مناسب برای مصرف انسان‌ها یا آبیاری، نمک‌زدایی می‌شود. محصول جانبی فرآیند نمک‌زدایی، آب‌نمک است. نمک‌زدایی در بسیاری از کشتی‌ها و زیردریایی‌های فعال در دریا استفاده می‌شود. بزرگ‌ترین مساله مطرح در حوزه‌ی نمک‌زدایی، تامین مقرون‌به‌صرفه آب شیرین برای مصرف انسان است. نمک‌زدایی در کنار بازیافت و تصفیه‌ی آب فاضلاب، یکی از معدود منابع آبِ مستقل از بارش است.
به دلیل مصرف انرژی، نمک‌زداییِ آب دریا، معمولا نسبت به استخراج آب شیرین از منابع سطحی یا زیرزمینی، تصفیه آب آلوده و صرفه‌جویی در آب، هزینه بیشتری دارد. با این حال، این راه حل‌ها همیشه در دسترس نیستند و کاهش ذخایر آب، یک مشکل حیاتی در سراسر جهان است. فرآیندهای نمک‌زدایی یا از روش‌های حرارتی (تقطیر)، یا روش‌های مبتنی بر غشا (به عنوان مثال اسمز معکوس) انواع انرژی استفاده می‌کنند.
یک برآورد انجام‌شده در سال ۲۰۱۸ نشان می‌دهد که «۱۸۴۲۶ مرکز نمک‌زدایی در بیش از ۱۵۰ کشور فعال هستند. این مراکز روزانه ۸۷ میلیون متر مکعب آب تمیز تولید می‌کنند و آب بیش از ۳۰۰ میلیون نفر را تامین می‌کنند.» میزان مصرف انرژی بهبود یافته است: هم‌اکنون حدود ۳ kWh/m3 (در سال ۲۰۱۸) می‌باشد، در مقایسه با ۲۰ تا ۳۰ کیلووات ساعت بر متر مکعب در سال ۱۹۷۰ میلادی. با این حال در سال ۲۰۱۶، نمک‌زدایی حدود ۲۵ درصد از انرژی مصرف‌شده در حوزه آب را تشکیل می‌دهد.
اسمز معکوس (Reverse Osmosis)
از نظر ظرفیت بکارگرفته‌شده و رشد سالانه، فرآیند پیشرو در حوزه‌ی نمک‌زدایی، اسمز معکوس (RO) است. فرآیندهای غشایی اسمز معکوس، از غشاهای نیمه‌تراوا و فشار اعمال شده (در سمت تغذیه غشا) استفاده می‌کنند تا ترجیحا نفوذ آب را از طریق غشا القا کنند و همزمان نمک‌ها را دفع کنند. سیستم‌های غشایی در یک مرکز اسمز معکوس، معمولا انرژی کمتری نسبت به فرآیندهای نمک‌زدایی حرارتی مصرف می‌کنند.
هزینه انرژی در فرآیندهای نمک‌زدایی بسته به شوری آب، اندازه مرکز و نوع فرآیند، به طور قابل توجهی متغیر هستند. در حال حاضر هزینه نمک‌زدایی آب دریا، برای مثال، بالاتر از منابع سنتی آب است، اما انتظار می‌رود که هزینه‌ها با پیشرفت‌های فناوری کاهش یابد، پیشرفت‌هایی همچون کاهش ردپای کربنی، بهبود عملکرد و بهینه‌سازی مراکز نمک‌زدایی، پیش‌تصفیه موثرتر تغذیه و منابع انرژی با هزینه کمتر.
اسمز معکوس از یک غشای کامپوزیت لایه نازک استفاده می‌کند که از یک فیلم نازک پلی‌آمیدی بسیار نازک و آروماتیک (معطر) تشکیل شده است. این فیلم پلی‌آمیدی خاصیت انتقالی خود را به غشاء می‌دهد، در حالی که باقیمانده غشای کامپوزیت لایه نازک، حمایت مکانیکی را فراهم می‌کند. این فیلم پلی‌آمیدی، یک پلیمر متراکم و بدون فضای خالی، با مساحت بالا است که به نفوذپذیری بالای آب منجر می‌شود. یک مطالعه اخیر نشان می‌دهد که نفوذپذیری آب در درجه اول، توسط توزیع جرم داخلی در مقیاس نانوی لایه فعال پلی‌آمید کنترل می‌شود.
فرآیند اسمز معکوس نیاز به تعمیر و نگهداری دارد. عوامل مختلفی با کارایی و بهره‌وری تداخل دارند:
- آلودگی یونی (کلسیم، منیزیم و غیره)،
- کربن آلی محلول (DOC)؛
- باکتری‌ها، ویروس‌ها، کلوئیدها و ذرات نامحلول،
- رسوب بیولوژیکی و پوستگی. در موارد شدید، غشاهای RO از بین می‌روند.
برای کاهش آسیب، مراحل مختلف پیش‌تصفیه، مطرح شده است. بازدارنده‌های ضد پوستگی، شامل اسیدها و دیگر عوامل مانند پلیمرهای آلی پلی‌اکریل‌آمید و پلی‌مالئیک اسید، فسفونات‌ها و پلی‌فسفات‌ها می‌شوند.
بازدارنده‌ها در برابر رسوب عبارتند از زیست‌کش‌ها یا بیوسیدها (به عنوان اکسیدان در برابر باکتری‌ها و ویروس‌ها)، مانند کلر، ازن، هیپوکلریت کلسیم یا سدیم. در فواصل منظم، بسته به آلودگی غشا، شرایط نوسانی آب دریا یا هنگامی که توسط فرآیندهای نظارتی مورد نظر باشد، غشاها باید تمیز شوند، که این کار را به عنوان فلاشینگ اضطراری یا فلاشینگ شوک شناخته می‌شود. فلاشینگ با بازدارنده‌ها در محلول آب شیرین انجام می‌شود و سیستم باید آفلاین (خاموش) شود. این روش از نظر زیست‌محیطی خطرناک است، چون آب آلوده بدون تصفیه، به اقیانوس منحرف می‌شود. ممکن است زیستگاه‌های حساس دریایی، به شکل غیر قابل بازگشتی، آسیب ببینند.
واحدهای نمک‌زدایی خارج از شبکه برق‌گرفته از خورشید، از انرژی خورشیدی برای پر کردن مخزن بافر روی تپه با آب دریا استفاده می‌کنند. فرآیند اسمز معکوس، خوراک آب دریا تحت فشار خود را در ساعاتی که نور خورشید نیست توسط نیروی گرانش دریافت می‌کند، که منجر به تولید آب آشامیدنی پایدار، بدون نیاز به سوخت‌های فسیلی، شبکه برق یا باتری‌ها می‌شود. از لوله‌های نانو نیز برای همین کارکرد (یعنی اسمز معکوس) استفاده می‌شود.
اسمز مستقیم
اسمز مستقیم (Forward Osmosis یا FO) از یک غشای نیمه‌تراوا برای جداسازی آب از املاح محلول استفاده می‌کند. نیروی محرکه برای این جداسازی، یک گرادیان فشار اسمزی است، مانند یک محلول «کشنده» با غلظت بالا.
یخ زدن – یخ زدایی (Freeze-thaw)
نمک‌زدایی به روش یخ‌زدن-یخ‌زدایی (یا نمک‌زدایی انجمادی) از انجماد، برای جدا کردن آب شیرین از آب نمک استفاده می‌کند. آب نمک در شرایط انجماد روی یک پد اسپری می‌شود که در آن انباشته‌ی یخ، ایجاد می‌شود.
هنگامی که شرایط فصلی گرم می‌شود، آب ذوب‌شده به طور طبیعی نمکزداییشده، بازیابی می‌شود. این تکنیک از دوره‌های طولانی شرایط طبیعی زیر نقطه انجماد بهره می‌گیرد.
یک روش متفاوت یخ‌زدگی-یخ‌زدایی، که وابسته به آب و هوا نیست و توسط الکساندر زارچین ابداع شده است، آب دریا را در خلاء منجمد می‌کند. در شرایط خلا، این یخ که نمکزداییشده، ذوب می‌شود و برای جمع‌آوری به سمتی منحرف می‌شود و نمک آن جمع‌آوری می‌شود.
غشای الکترودیالیز (الکتروتراکافت)
الکترودیالیز از پتانسیل الکتریکی، برای جابجایی نمک‌ها از طریق جفت غشای باردار استفاده می‌کند، که نمک را در کانال‌های متناوب به دام می‌اندازند. چندین نسخه مختلف الکترودیالیز وجود دارد، مانند الکترودیالیز مرسوم، معکوس الکترودیالیز.
نمک‌زدایی میکروبی
مقاله اصلی: سلول نمک‌زدایی میکروبی
سلول‌های نمک‌زدایی میکروبی، سیستم‌های الکتروشیمیایی بیولوژیکی هستند که استفاده از باکتری‌های الکترو-فعال را برای تامین برق نمک‌زدایی آب در محل، تامین منابع گرادیان طبیعی آند و کاتد باکتری‌های الکترو-فعال و در نتیجه ایجاد یک ابرخازن داخلی، محقق می‌سازند.
نقش سنسور فشار در سیستم های اسمز معکوس
سنسورهای فشار، نقش مهمی در فرآیند اسمز معکوس (RO) دارند. این سنسورها برای نظارت و کنترل سطح فشار در سیستم RO استفاده می‌شوند که برای اطمینان از عملکرد و کارایی بهینه‌ی سیستم ضروری است.
در یک سیستم RO، آب با اعمال فشار به آب تغذیه (feedwater) از طریق غشا عبور می‌کند. فشار لازم برای غلبه بر فشار اسمزیِ نمک‌های محلول و سایر ناخالصی‌های موجود در آب را فشار اسمزی می‌گویند.
برای اطمینان از اینکه مقدار مناسب فشار به آب تغذیه اعمال می‌شود، از سنسورهای فشار برای اندازه‌گیری سطوح فشار در سیستم RO استفاده می‌شود.
سنسورهای فشار معمولا در نقاط مختلف سیستم RO از جمله ورودی آب تغذیه، ماژول غشایی و خروجی کنسانتره قرار می‌گیرند. با نظارت بر سطوح فشار در این نقاط، سیستم RO را می‌توان برای اطمینان از حفظ فشار مناسب در سراسر سیستم، بهینه‌سازی کرد. اگر سطوح فشار خیلی زیاد یا خیلی کم باشد، می‌تواند منجر به کاهش بهره‌وری، کاهش عمر غشا و کاهش کیفیت آب شود.
از سنسورهای فشار نیز برای اطمینان از کارکرد صحیح سیستم RO استفاده می‌شود. این سنسورها می‌توانند هرگونه ناهنجاری در سطوح فشار، مانند انسداد یا نشت در سیستم را تشخیص دهند. با تشخیص زودهنگام این مسائل، می‌توان قبل از اینکه آسیب قابل توجهی به سیستم RO وارد شود، آنها را برطرف کرد. به طور کلی، سنسورهای فشار برای اطمینان از کارکرد موثر و کارآمدِ یک سیستم اسمز معکوس ضروری هستند.
شایان ذکر است که بسیاری از سیستم‌های RO از سنسورهای فشار متعدد در سراسر سیستم، برای نظارت بر سطح فشار در نقاط مختلف مانند ورودی آب تغذیه، ماژول غشایی و خروجی کنسانتره استفاده می‌کنند. این امکان نظارت جامع‌تری از سیستم RO را فراهم می‌آورد و می‌تواند به شناسایی مشکلاتی کمک کند که ممکن است رخ دهند.
چه نوع و بازه‌ای از سنسورهای فشار در سیستم‌های RO استفاده می‌شود؟
نوع و محدوده سنسور فشار مورد استفاده در سیستم اسمز معکوس (RO) بسته به کاربرد خاص و نیازمندی‌های سیستم، می‌تواند متفاوت باشد. با این حال به طور کلی، سنسورهای فشار مورد استفاده در سیستم‌های RO معمولا یا سنسورهای فشار تفاضلی هستند یا سنسورهای فشار گیج.
سنسورهای فشار تفاضلی، اختلاف فشار بین دو نقطه را اندازه‌گیری می‌کنند، مثلا در دو طرف غشای RO. این سنسورها قادر به اندازه‌گیری اختلاف فشار بسیار کوچک هستند و معمولا می‌توانند بازه‌های فشار را از چند psi تا چند صد psi اندازه‌گیری کنند.
در سمت دیگر، سنسورهای فشار گیج، فشار را نسبت به فشار اتمسفر اندازه‌گیری می‌کنند و اغلب برای نظارت بر فشار آب ورودی یا فشار در جریان کنسانتره استفاده می‌شوند. این سنسورها معمولا بازه‌های فشار را از چند psi تا چند هزار psi اندازه‌گیری می‌کنند.
از نظر بازه‌ی فشار، محدوده خاص مورد نیاز به طراحی و عملکرد سیستم RO بستگی دارد. به طور کلی، بازه‌ی فشار مورد استفاده در سیستم‌های RO می‌تواند از چند psi تا چند صد psi متغیر باشد که بازه‌ی دقیق آن به مشخصات سیستم بستگی دارد.
