تحلية المياه بالاسموزية العكسية ( التناضح العكسي)

  1. مقدمة

قي المناطق الجغرافية التي تفتقر إلى المصادر الطبيعية للمياه النقية والصالحة للشرب مثل الأنهار , الينابيع والسيول, تعتمد المجتمعات الموجودة على أنظمة تحلية المياه لأنها مصدر موثوق لا ينضب للمياه ولا سيما مع بداية العام 1950 ميلادية الذي شهد انطلاقة أنظمة التحلية بأسعار اقتصادية وتقنيات مبسطة تعمل في شتى الظروف البيئية.

وقد وتم تحديد الأملاح الذائبة في المياه المحلاة بنسبة 500 جزء بالمليون لتكون النسبة المسموح بها دوليا للمياه لجميع الاستعمالات المنزلية, الصناعية والزراعية.

حوالي 97% من الماء الموجود على الأرض في المحيطات المالحة. وبسبب الحاجة إلى الماء تطلع النّاس مليّاً عبر التّاريخ إلى هذا المعين الذي لا ينضب. ويعتقد النّاس حاليّاً أكثر من أي وقت مضى أن تحلية ماء المحيط ستفي وتواجه الاحتياج المتزايد للماء العذب.
والملح الموجود في ماء البحر هو ملح المائدة الشّائع. ويستطيع الإنسان أن يشرب بأمان الماء الذي يحتوي على أقل من 0,05كجم من الملح في كلّ 100كجم من الماء. ويحتوي ماء البحر على سبعة أضعاف هذه الكمية من الملح. ولا شك بأن الشّخص الذي يشرب ماء البحر فقط سيموت؛ إذ إنّ الجفاف سيصيب خلايا جسمه أثناء محاولتها التّخلص من كميّة الملح الزّائد. وكذلك فإن النّاس لا يمكنهم استعمال ماء البحر في الزّراعة أو الصّناعة، لأنّ هذا الماء يقتل معظم المحاصيل، ويسبب صدأ الآلات والمعدّات سريعاً.

وعرف النّاس طرائق عديدة لتحلية ماء البحر. وتعطي عمليّة تحلية ماء البحر الأمل في حلّ مشكلات شُحّ الماء العذب في المناطق السّاحليّة القريبة من البحر. ولا تحلّ تحلية ماء البحر كلّ المشكلات المائيّة. وحتى لو احتوت المحيطات على ماء عذب فستظلّ هناك مشكلات أخرى مثل تلوّث المياه والسّيطرة على مياه الفيضانات وكذلك عمليّات توزيع المياه

هذا وتعتبر تكنولوجيا تحلية المياه من التقنيات الهامة في مجال معالجة المياه والتي برزت كحاجة ملحة وضرورية لتوسيع مصادر المياه وعدم القتصار على المصادر التقليدية والتي كانت تستخدم قديما لسد حاجات النسان المختلفة وكانت تفـي بهــذا الغرض.

 

  1. مفهوم الاسموزية الطبيعية

الإسموزية هى إنتشار المواد (المذيب) خلال غشاء شبه منفذ نتيجة لإختلاف الضغط الإنتشارى لهذه المـادة (المذيب) على جانبى الغشاء. وتحدث الإسموزية حينما يكون هناك محلولين فيهما المذيب مشـترك وضـغط الإنتشار للمذيب فى كلا الجانبين والمحلولين منفصلين عن بعضهما بواسطة غشاء شبه منفذ.

فمثلاً عند مليء غشاء شبه منفذ (على شكل كيس) بمحلول ملحى أو سكرى ثم ربط هذا الكيس ووضعه فى ماء نقى يلاحظ بعد فترة إمتلاء هذا الكيس ويحدث هذا الإنتفاخ ضغطاً على جدار الكيس من الداخل. وهـذا الضغط ينشأ نتيجة لدخول الماء إلى المحلول عن طريق الإسموزية. وفى هذه الحالة يجب مراعاة أن غشاء الكيس لابد وأن يكون شبه منفذ أى يكون منفذاً للماء دون المادة المذابة. وتنقسم الأغشية تبعاً لخاصية النفاذية إلى:

  • أغشية منفذة: أى تسمح لكل من المذيب والمذاب بالنفاذ خلالها مثل ورق الترشيح.
  • أغشية غير منفذة: لا تسمح لأى من المذاب والمذيب بالنفاذ مثل الزجاج.
  • أغشية شبه منفذة: تسمح للمذيب فقط دون المذاب بالنفاذ خلالها.

 

  1. مفهوم التناضح العكسي

هي عملية فيزيائية ينتقل من خلالها الماء من الوسط عالي التركيز إلى الوسط قليل الــتركيز مــن خلل غشاء شبه منفذ عن طريق استخدام ضغط على المحلول المركز يزيد عن الضغط السموزي. من المعروف في الوضع الطبيعي لدى فصل محلولين أحدهما مركز والخر مخفف بغشــاء شــبه منفذ فإن هذا النظام يميل بحكم القوانين الطبيعية إلى إحداث توازن في تراكيز المحلولين وذلك بعبور الماء النقي من المحلول المخفف إلى المحلول المركز ويستمر هذا العبور حتى يتقارب تركيز المحلولين.

إذا طبقنا ضغطا معاكسا على الجزء المحتوي على المحلول المركز بحيث يكون أعلى من قيمة الضغط السموزي فإن إتجاه التدفق سينعكس – أي أن الماء يعبر من المحلول المركز إلى المحلول المخفف من خلل الغشاء، ونتيجة لذلك يزداد تركيز الملح في المحلول ويزداد الضغط السموزي ويدعى الضغط المطبق على المحلول المركز بالضغط السموزي العكسي Reverse Osmotic Pressure

ومن السهل أن نستنتج كيفية استغلال هذه الظاهرة في تحلية المياه المالحة عند درجات حرارة عادية ودون أية إضافات كيميائية، كل ما تتطلبه العملية هي تمرير الماء المالح من خلل أغشية شبه نفاذه عن طريق توليد ضغط على هذا الماء ليخرج الماء النقي فقط خلال  الغشاء بينما يتم حجز الماء المالح خلف الغشاء.

يطبق هذا النظام ضمن أجهزة التناضح العكسي الصناعية حيث يمر الماء عبر مرشحات متعددة كمعالجة مسبقة لحماية أغشية التناضح العكسي من الانسداد وتتعلق نوعية وعدد هذه المراحل بطبيعة المياه ونسبة ونوع التلوث الموجود فيها.

وفي الحالات العامة تمر المياه على المرشحات متعددة الطبقات والفلاتر الخرطوشية لإزالة المواد العالقة ثم على المرشحات الكربونية لإزالة مادة الكلور التي تضاف لتعقيم المياه الأولي وكذلك المواد العضوية ويحقن بعد ذلك عدد من المواد المساعدة مثل مواد منع ترسب الاملاح الكلسية ومواد تعديل درجة الحموضة وأخيرا  يمر الماء من خلال غشاء شبه منفذ يسمح فقط لجزيئات المياه النقية بالعبور لنحصل على مياه نقية بأملاح منخفضة جدا.

  1. تطبيقات التناضح العكسي

يبين الجدول التالي جدول رقم 1 بعض تطبيقات التناضح العكسي.

جدول 1

معالجة مياه الصرف واعادة الاستخدام مياه الشرب الاستخدام الصناعي
مياه الشرب غير المباشرة تحلية مياه البحر, تحلية المياه الضاربة في الملوحة , التقطير

 

المياه فائقة النقاء, مياه الغلايات, المياه النقية, استخدامات الصناعات اليومية

5.    مراحل المعالجة بتقنية التناضح العكسي:

تعتمد تقنية التناضح العكسي على أربعة مراحل أساسية من المعالجات هي:

  • مرحلة المعالجة الأولية .
  • مرحلة الضغط (مضخة ذات ضغط عال ) .
  • مرحلة الفصل بواسطة الأغشية (مجمع أغشية) .
  • معالجة نهائية ( مرحلة التثبيت ).

أ-مرحلة ما قبل المعالجة:

والمعالجة الأولية مهمة لأن مياه التغذية يجب أن تمر عبر ممرات ضيقة أثناء العملية ، كذلك يجب إزالة العوالق ومنع ترسب الكائنات الحية ونموها على الأغشية . حيث يتم معالجة دفق مياه التغذية لتصبح منسجمة مع الشروط الاساسية لعمل الأغشية ولتكون خالية من العوالق الصلبة عبر عدة خطوات منها :

  • الترشيح الرملي Multimedia Filter
  • وحدات خراطيش ميكرونية Cartridge Filters
  • ضبط الرقم الهيدروجيني pH Adjustment
  • إضافة مواد كيميائية لمنع تكون القشور .

ب-مرحلة الضغط:

يتم خلال هذه العملية أو المرحلة رفع الضغط على المياه المعالجة أوليا الى المستوى المناسب لنوع الأغشية ونسبة الأملاح الذائبة في المياه المطلوب معالجتها .

والمضخة ذات الضغط العالي تعمل على رفع الضغط الهيدروليكي لمياه التغذية الى الحد الكافي للتغلب على الضغط الاسموزي الطبيعي وبزيادة تكفي لانتاج الكمية المطلوبة من المياه العذبة ، وبالتالي توفرهذه المضخة الضغط اللازم لعبور الماء من خلال الأغشية وحجز الأملاح ، وتتناسب الضغوط المطلوبة تناسبا طرديا مع درجة ملوحة مياه التغذية.حيث تتراوح ما بين 17 إلى 27 بارا ( 250 – 400 رطل على البوصة المربعة ) في حالة المياه قليلة الملوحة التي تتراوح ملوحتها بين 2000 – 10000 جزء في المليون، بينما تتراوح الضغوط المطلوبة بين 45 إلى 80 بارا ( 800 – 1180 رطل على البوصة المربعة ) لمياه البحار المالحة مثل مياه الخليج العربي والتي تصل فيها الملوحة الى 45000 جزء في المليون .

ج-مرحلة الفصل بواسطة الأغشية (مجمع الأغشية)

ويتكون مجمع الأغشية من وعاء ضغط وغشاء يسمح بضغط الماء عليه كما يتحمل الغشاء فارق الضغط فيه . والأغشية نصف المنفذه قابلة للتكسر وتختلف في مقدرتها على مرور الماء العذب وحجز الأملاح.

تقوم الأغشية في هذه المرحلة بالسماح للمياه العذبة أو النقية بالمرور خلال الثقوب الميكروية للغشاء ، بينما تمنع الأملاح الذائبة من المرور ، حيث يتم تحويلها الى خط الصرف ذو التركيز الملحي العالي ، بينما تتمكن نسبة قليلة من الأملاح من عبور الأغشية والسبب في ذلك يعود الى عدم كمال الأغشية النسيجية ليس هناك غشاء محكم إحكاما كاملا في طرد الأملاح ولذلك توجد بعض الأملاح في المياه المنتجة.

تعمل هذه الأغشية على إزالة أكثر من 75 % من الأملاح إضافة الى معظم أنواع العضويات ، الدقائق الفيروسات والبكتيريا  ، والكثير من الملوثات الكيميائية ، وتتراوح قياسات المسامات في الأنواع المختلفة من الأغشية بين (10 انجستروم – 100 ميكرون ) .

 

وتصنع أغشية التناضح العكسي من أنماط مختلفة ، وهناك اربعة أنواع من نظم الاغشية المعروفة وهي الاغشية المسطحة والاغشية الأنبوبية والاغشية الشعرية المجوفة والأغشية الحلزونية، ولكل من هذه الأغشية مقدرة معينة على انتاج المياه العذبة وإمرار الأملاح واحتجازها.

وهناك اثنان ناجحان تجاريا وهما اللوح الحلزوني والألياف ( الشعيرات الدقيقة المجوفة) ، ويستخدم هذين النوعين لتحلية كل من مياه الآبار ومياه البحر على الرغم من اختلاف تكوين الغشاء الإنشائي ووعاء الضغط اعتمادا على المصنع وملوحة الماء المراد تحليته.

د-مرحلة التثبيت أو ما بعد المعالجة:

تهدف المعالجة النهائية فهي للمحافظة على خصائص الماء واعداده للتوزيع . وربما شملت هذه المعالجة إزالة الغازات مثل كبريتيد الهيدروجين وتعديل درجة الرقم الهيدروجيني.

حيث يتم في هذه المرحلة ضبط حموضة المياه العذبة الناتجة من خلال عملية الضبط الكيميائية للرقم الهيدروجيني للمياه PH Adjustment برفعها من حوالي الرقم 5 الى 7.5 .

ويتم خلال هذه المرحلة أيضا إضافة الكلور للحفاظ على المياه معقمة من الكائنات الحية الدقيقة الحية والبكتيريا التي قد تصلها خلال فترات التخزين والضخ عبر الشبكة.

 

أحــمــد السـروي

إستشاري معالجة المياه والبيئة

المراجع العلمية

  • احمد السروي ,العمليات الاساسية لتنقية مياه الشرب , دار الكتب العلمية , 2012.
  • احمد السيد خليل ,عملية تنقية الماء للاستخدام المنزلي , 2008.
  • تحلية مياه البحر, سيرورات الطاقة التقليدية والمتجددة, اندريا سيبولينا واخرون, المنظمة العربية للترجمة ,2011.
  • عصام الدين خليل حسن، إعذاب المياه (الطبعة الطبعة الأولى)، القاهرة- جمهورية مصر العربية: المكتبة الاكاديمية، 2010, صفحة 20. بتصرّف.
  • Norman N. Li, Anthony G. Fane, W. S. Winston Ho, and T. Matsuura, Advanced Membrane Technology and Applications, 2008 John Wiley & Sons, Inc.

 

THE FUTURE OF NANOTECHNOLOGY IN WATER DESALINATION

Nano scale science plays an enormously positive role on the everyday life of every one.

The feasibility of nanofilters helps us to develop  ,along –term  &profitable relationship due to the hi-tech & the advantageous of these nanotechnologies which are :-

1-long term use

2-Resuable

3- No power & No pressure

4- Filters media , low cost & reusable

In nanotechnology desalination we replace the RO unit with NF units , the number of nanofilters (NF) & their  capacity will depend on the capacity of the plant .

Nano technology process Merit:-

(1 ) Quality standard:-

Contaminated free water with ng/l ,nanowater with 1000 time mora quality .

(2)  Power operating cost :-

     Cost-effective ,No RO used , it will reduce the cost to 50% of price.

(3) Product water volume:-

Large volume production , 2/3 volume of feed water .

(4) Durability :-

It is reusable for years , durable station .

Visual detection point using nano membrane sensor layers for selective toxins with response time of minutes  .

Note:- the color change means  the membrane should be changed or washed .

 

 Water Desalination plant (nano membrane stages)

The manufacture replaces the RO unit by three membranes

(1) Filter tank  #HOM-V

This filter remove TDS & contains layers containing with active & selective adsorbents for each of the following :-

  • Salts or minerals (Na.Ca &Mg)
  • Toxicants (metals) –Radioactive elements if any
  • Arsenic contaminated water , if any
  • Some chemicals & hazardous

 

Exchange of the filter medium :- filter media has passed the period of use will be replaced, with a new tank  , filter media in the tank is not unplugged .

Tank that contains the older media as it is sent to the manufacture to recycle it .

(2) Filter tank  #HOM-R

The other elements or particles that remained for HOM

TDS control are as follow :-

  • Salts or minerals (Na.Ca &Mg)
  • Sulfur &phosphate
  • Organic species like pesticides ,virus ,bacteria , herbicides , bad taste, odor &cysts.

Exchange of the filter medium :- filter media has passed the period of use will be replaced, with a new tank  , filter media in the tank is not unplugged .

Tank that contains the older media as it is sent to the manufacture to recycle it .

(2) Filter tank  #HOM-CTO

In that stage we use meso carbone filter   to get ride of  all the remaining contaminants

Quality of Nanowater

 

 

Chemist/ Ahmed Mahmoud

Water &wastewater treatment consultant

تصميم أنظمة التناضح العكسى بين المرحلة الواحدة والمرحلتين للمياه قليلة الملوحة

Comparison of one stage and two stage –Brackish water Reverse Osmosis System

مقدمــــــــــــة :

تصنف انظمة التناضح العكسى كأهم تقنية لتحلية المياة سواء أكانت مياه قليلة الملوحة (كمياه الابار ) أو مياه عالية الملوحة (كمياه البحر).ويعتمد نظام التناضح العكسى فى مجمله على استخدام الاغشية لفصل الاملاح من المياه بواسطة ظروف تشغيل معينة .الوصول للقيم المثلى فى تشغيل محطات التناضح العكسى يعتبر من أهم التحديات اللى تواجه العاملين فى هذا المجال حتى بعد التطور الهائل فى أنظمة التحكم ولكن هناك كثير من التغييرات التى تطرأ على ظروف التشغيل كتغيير درجات الحرارة او عناصر المياه المراد تحليتها مما يؤثر على ظروف التشغيل .هناك مسئولية أخرى تقع على عاتق مصممين أنظمة التناضح العكسى وهى الوصول لأفضل ظروف تشغيل بناءا على التصميم المقترح سواء أكان هذا التصميم يعتمد على نسبة استخلاص عالية أو منخفضة بناءا على طبيعة المياة .فى هذا المقال سنستعرض سويا تصميم أنظمة التناضح العكسى فى صورة مرحلة واحدة وفى صورة مرحلتين وظروف تشغيل كلا منهما . والعوامل المؤثرة فى كل مرحلة كعدد الأغشية أو كمية المياة المتدفقة إلى النظام على نسبة الإستخلاص و كمية المياه المنتجة .

 

طبيعة النظام :

  • مصدر المياه –مياه قليلة الملوحة والمواد الصلبة الكلية الذائبة قيمتها تبلغ 13,400 ملليجرام / لتر .
  • الغشاء الذى تم استخدامه فى العملية BW30-4040 من انتاج FilmTec Corporation .
  • برنامج المحاكاة -تم استخدام برنامج تحليل انظمة التناضح العكسى – الاصدار الثاني – (ROSA (Reverse Osmosis System Analysis)
  • الشكلان التاليان يوضحان ماهية النظام وتكوينة من مرحلة واحدة ومن مرحلتين .

    النتائج

    1-تأثير المياة المتدفقة إلى النظام وعدد الأغشية على معدل تدفق المياه المنتجة المحلاة من النظام .

    الرسم  البيانى التالى  رقم 1 يوضح فى حالة استخدام مرحلة واحدة لعملية التحلية ان اعلى معدل تدفق مياة منتجة محلاة من النظام 38.25 مترمكعب/يوم فى حين كان معدل التدفق الى النظام 60 متر مكعب / يوم وضغط مضخة الضغط العالى 39 بار باستخدام 8 اغشية فقط فى مرحلة واحدة .

  • وعندما نعقد المقارنة فى حالة اضافة مرحلة ثانية للنظام .فالرسم البيانى التالى رقم 2 يوضح ان معدل تدفق المياة المنتجة المحلاة من النظام ارتفع الى 43.74 متر مكعب/ يوم فى حين كان معدل التدفق إلى النظام 69 متر مكعب/يوم ومع انخفاض ضغط المضخة إلى 35 بار وتغيير عدد الأغشية إلى 16 غشاء على مرحلتين .
  • يتضح من خلال المقارنة بين نظام تم استخدام مرحلة واحدة ونظام اخر تم استخدام مرحلتين مع اختلاف عدد الأغشية ومع تغير معدل تدفق المياه إلى النظام خلصنا إلى انه فى حالة استخدام مرحلتين بدلا من مرحلة واحدة يقل ضغط المياه المتدفقة إلى النظام ويرتفع كمية المياه المنتجة المحلاه.

     

    2-تأثير المياة المتدفقة إلى النظام وعدد الأغشية على كمية المواد الصلبة الذائبة الكلية  (TDS) فى المنتجة المحلاة من النظام .

    الرسم البيانى التالى رقم 3 يوضح فى حالة استخدام مرحلة واحدة لعملية التحلية ان اقل كمية مواد صلبة ذائبة فى المياه المحلاه هى 230 ملليجرام / لتر.  بالمقارنة فى الرسم البيانى رقم 4 فى حالة المرحلتين نجد ان اقل كمية مواد صلبة ذائبة فى المياه المحلاه هى 387.5 ملليجرام / لتر 

  • يتضح جليا من المقارنة بين المرحلتين انه فى حالة زيادة معدل  المياه المتدفقة إلى النظام تقل كمية المواد الصلبة الذائبة (TDS)  فى المياه المنتجة فى كلا الحالتين سواء أكانت مرحلة او مرحلتين .وكذاك زيادة ضغط المياة المتدفقة إلى النظام او عدد الأغشية يزيد من كمية المواد الصلبة الذائبة (TDS)  فى المياه المنتجة بشكل ملحوظ .

     

    3-تأثير المياة المتدفقة إلى النظام وعدد الأغشية على نسبة الأستخلاص (Recovery)  .

    الرسم البيانى التالى رقم 5 و6 يوضحان فى حالة وجود مرحلة واحدة او مرحلتين  يؤثر بشكل واضح معدل تدفق المياه على نسبة الأستخلاص .فكلما زاد معدل التدفق للمياه إلى النظام تقل نسبة الاستخلاص .زيادة عدد الأغشية بالطبع يزيد من نسبة الاستخلاص .فأعلى نسبة استخلاص تحدث عند أقل معدل تدفق إلى النظام واعلى عدد من الأغشية بالاضافة إلى ان نسبة الاستخلاص فى المرحلتين اعلى من المرحلة الواحدة.

    تحت نفس ظروف معدل التدفق 60 متر مكعب /يوم لنظام المرحلة الواحدة باستخدام 8 أغشية نجد ان نسبة الإستخلاص 63.75 فى حين انه فى نظام المرحلتين بإستخدام 16 غشاء نجد ان نسبة الإستخلاص 71.28

  • 4-تأثير المياة المتدفقة إلى النظام وعدد الأغشية على الطاقة النوعية (Specific Energy) .

    الرسم البيانى التالى رقم 7 و8  يوضحان تأثير معدل تدفق المياه إلى كلا  من نظام المرحلة الواحدة والمرحلتين وكذلك عدد الأغشية على مدى استهلاك الطاقة فى كلا منهما .فى نظام المرحلتين الطاقة النوعية المستهلكة تقل مقارنة بالمرحلة الواحدة نظرا لأن كمية المياه المنتجة المحلاة اصبحت اكثر وبالتالى تم توزيع الطاقة لكل متر مكعب من المياه المنتجة وزيادة عدد الأغشية يقلل ايضا بشكل ملحوظ استهلاك الطاقة.

    نلاحظ ايضا ان زيادة معدل التدفق يوثر على استهلاط الطاقة ولكن بنسبة ضيئلة ليست كما فى عدد الأغشية التى تؤثر بشكل ملحوظ .

    ففى نظام المرحلة الواحدة زاد معدل التدفق إلى النظام من 54 إلى 60 متر مكعب/يوم ولكن التغير فى الطاقة النوعية لم يتغير سوى 0.03 كيلو وات ساعة /متر مكعب فى حالة وجود 8 أغشية فى نظام المرحلة الواحدة .

    أما فى نظام المرحلتين زاد معدل التدفق إلى النظام من 60 إلى 69 متر مكعب/يوم ولكن التغيير فى الطاقة النوعية لم يتغير سوى 0.07 كيلو وات ساعة /متر مكعب فى حالة وجود 16 غشاء فى نظام المرحلتين .

    أما بالنسبة لزيادة عدد الأغشية من نظام المرحلة الأولى إلى نظام المرحلة الثانية تحت نفس ظروف معدل التدفق إلى النظام 60 متر مكعب /يوم نجد ان الطاقة النوعية لنظام المرحلة الواحدة باستخدام 8 أغشية 1.91 كيلو وات ساعة /متر مكعب وعند استخدام نظام المرحلتين باستخدام 16 غشاء نجد انه انخفض إلى 1.71 كيلو وات ساعة /متر مكعب .

  • الاستنتاجات :

    1-زيادة المياة المنتجة المحلاة تزيد بزيادة المياة المتدفقة إلى النظام وايضا بزيادة ضغط المياه المتدفقة الى النظام سواء فى نظام ذو مرحلة واحدة او مرحلتين .

    2-زيادة ضغط المياه المتدفقة إلى النظام يزيد من المياه المنتجة المحلاة ولكن يزيد نسبة المواد الصلبة الكلية الذائبة بها.

    3-زيادة الضغط يزيد من استهلاك الطاقة مما يؤثر على تكلفة التشغيل الكلية .

    4-زيادة الضغط تتناسب طرديا مع نسبة إزالة الأملاح (SR%) للنظام حتى تصل إلى قيمة معينة هذه القيمة تعتمد على طبيعة النظام ثم بعد ذلك تبدأ بالتناسب العكسى بعد هذه القيمة.

     

    بقلم  م / محمد أحمد عاشور

    مدير فني

  •  

    المراجع

    [1]Greenlee, L. F., D. F. Lawler, B. D.Freeman, B. Marrot, & P. Moulin,Reverse osmosis desalination: Water sources,technology, and today’s challenges, Water Research,Vol. 43, 2009,pp.2317 – 2348.

    [2] P. Poovanaesvaran, M.A. Alghoul, K.Sopian, N. Amin, M.I. Fadhel and M.Yahya, Design aspects of small-scale photovoltaic brackish water reverseosmosis (PV-BWRO) system,

    Desalination and Water Treatment, 27,2011, 210-223

    [3] M.A. Alghoul, P. Poovanaesvaran, K.Sopian, and M.Y. Sulaiman, Review of brackish water reverse osmosis(BWRO) system designs, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13,2009, 2661-2667

    [4] M.A. Alghoul, P. Poovanaesvaran, K.Sopian, and M.Y. Sulaiman,, Comparison of One Stage and Two Stage- Brackish Water Reverse Osmosis System: A Simulation study

تحلية المياه بين الواقع والمأمول في المنطقة العربية

مع قلة موارد المياه العذبة على هذا الكوكب والتي تتلخص بكارثة ان ما يزيد عن مليار انسان لا زالو لا يحصلون على مياه شرب نقية، ومع زيادة ملحوظة في تعداد السكان والتي من المتوقع ان تصل الى تسعة مليارات نسمة في العقد القادم. وتشتمل ايضا التحديات المناخية كظاهرة الاحتباس الحراري والتي تعمل على اذابة مليارات الاطنان من الجليد الذي يعتبر مصدرا هاما للمياه العذبة على هذا الكوكب وفقدانها بانحلالها في المحيطات.

تتبخر مياه البحر وتتكثف مما يسمح باستمرارية الحياة على هذا الكوكب ، فيما يعرف بالدورة الهيدروجينية. وبمجرد اكتمال مهمة المياه الحيوية تعود مرة أخرى الى البحر وتتابع الدورة الهيدروجينية حلقتها مع استمرار الحياة. ان عملية التبخير والتكثف في هذه الدورة تقوم بمعالجة ما نسبته 3% من اجمالي المياه المشمولة في حلقة المعالجة الذاتية للمياه  وحيث ان نسبة ما  تشكله المياه يعادل 75% من محتوى الارض فان هذه النسبة تعتبر ضئيله مقارنة بالعوز المائي الانساني والذي يشمل الزراعة والصناعة وانتاج الطاقة واستخدامها في الأنشطة اليومية للإنسان.

 

وبما أن كمية الماء على الأرض هي بحكم تعريفها ثابتة ، فقد ركزت الجهود حتى الآن على تقليل الاستهلاك. لقد تم القيام بالكثير في هذا الاتجاه وما زال هناك الكثير مما ينبغي عمله. ومع ذلك ، فإن هذه الجهود لن تكون كافية لأن احتياجاتنا المتزايدة من المياه العذبة ستتجاوز قريبا القدرة التجديدية للدورة الهيدرولوجية.

إذا حدث ذلك ، فإن الحل الوحيد القابل للتطبيق في المستقبل القريب هو تحلية المياه ، أي استخدام التقنيات التي تنقي مياه البحر، حيث ان   تحلية المياه هي الأمل الوحيد للأجيال القادمة في إنتاج مياه جديدة بأسعار معقولة خاصة  في منطقة الشرق الأوسط التي تعتبر من اكثر المناطق ذات العوز المائي على هذا الكوكب.

بدأت عملية تحلية المياه في بلدان الشرق منذ ما يقارب  40 عامًا ، لكن في الآونة الأخيرة فقط اصبح القطاع فعالا وذو انتاجية. ولم يبدأ الاستغلال التجاري إلا في التسعينيات وشهدت تطورا لوغاريتميا في الاونه الاخيره حيث اصبحت احدى دعائم الصناعة في هذه البلدان.

مع تطور وسائل وتقنيات معالجة المياه فما يزيد عن 16000 محطة تحلية منتشره في دول العالم وذلك بنسبة تطور ونمو سنوي يفوق 15%.

يبقى التحدي الاصعب في عملية تحلية مياه البحر والمتمثل باستهلاك الطاقة حيث ان كمية الطاقة المستخدمة في عمليات التحلية سواء كانت عن طريق التناضح العكسي والذي يحتاج الى طاقة مكثفة لعملية حقن الاغشية والمرشحات بمياه البحر، أو عن طريق استخدام الطاقة الحرارية في عمليات التقطير. شح مصادر الطاقة اثر سلبيا على انتاجية وكفاءة عمليات تحلية البحر وذلك في نطاق الدول الغير نفطية، وكان الازدهار ملحوظاً لعمليات التحلية في المنطقة وخاصة في المملكة العربية السعودية والتي تعتبر الآن اكبر منتج ومستهلك للمياه المحلاة في العالم.

العوز المائي والمقرون بالعوز في مصادر الطاقة شجع الباحثين على تقديم حلول وابتكارات تتماشى مع المعطيات المتوفرة وكان من اهم الاهداف المنشودة هو ايجاد طرق تحليليه ذات استهلاك طاقة اقل وبنفس الكفائة المنشودة.

ومن هذا المنطلق كان التركيز على تطوير انظمة استعادة الطاقة في عملية التناضح العكسي والتي تعتمد على خفض كمية الطاقة اللازمة لضغط المياه في المرشحات الى مستويات متدنيه وذلك عن طريق ما يسمى بتدوير الطاقة اي ان الطاقة اللازمة لضخ المياه خلال الاغشية يعاد تدويرها مرات عدة وبنسبة تصل الى 75% من الطاقة الأساسية المستهلكة.

يتم إستهلاك كمية ضخمة من الطاقة لتحقيق مستويات الضغط المطلوبة للعملية ، والتي بعد ذلك تصبح عديمة الفائدة بعد انتهاء العملية، وهذا يعني ان الطاقة المستخدمة لضخ وضغط مياه البحر في المرشحات يقابلها طاقة وضغط المياه المالحة الناتجة عن هذه العملية والتي في عمليات التناضح العكسي تذهب هدراً، و من هنا كان لا بد من استغلال هذه الطاقة المهدورة وبالتالي المساعدة في اعادة تدوير هذه الطاقه واستغلالها كمصدر للضغط اللازم لضخ مياه البحر خلال المرشحات.

كذلك الامر في عملية تحلية مياه البحر عن طريق التقطير جاءت عمليات التقطير الوميضي لتقلل من استهلاك الطاقة الحرارية المستخدمة حيث ان مبدئها يحاكي الدورة الهيدروجينية للمياه حيث تقوم هذه الانظمة بتسخين مياه البحر وتداولها خلال مراحل مختلفة من التحول حيث يقل مستوى الضغط الجوي تدريجيا والذي يستلزم انخفاض نقطة الغليان ضمنيا مما يقنن من كمية الوقود المستهلك.

ومن هنا نستشعر الوظيفة الرئيسية لأجهزة تدوير الطاقة في تحسين كفاءة استعادة الطاقة عن طريق تسخير الطاقة المرفوضة المقابلة لطاقة الفعل واعادة استردادها لتكون جزء من عملية التحلية المستدامة. كما تم تطوير العديد من انظمة استعادة وتدوير الطاقة لتشمل الانظمة الهيدروليكية بمساعدة ميكانيكية وانظمة هيدروليكية متسلسلة واخيرا انظمة هيدروليكية تعمل بالتوازي وكل حسب الية ضخ الطاقة الاولية سواء كانت بفعل مضخات او حرارية.

 

تحلية مياه البحر حول العالم تستغل الطاقات الأحفورية او المخزون النفطي للبلدان. على المدى الطويل ، مهما كانت هذه الطاقة  فعاله، فان هذا الخيار غير مستدام من الناحية البيئية والاقتصادية.

في الشرق الأوسط وشمال أفريقيا ، من الممكن بناء محطات الطاقة الشمسية التي تكون مواردها غير محدودة نظريا. يمكن للمنطقة توليد ما يكفي من الطاقة الشمسية لتلبية الطلب العالمي عدة مرات. كما أن استبدال الوقود الأحفوري سيقلل من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ، وهو أحد الأسباب الرئيسية لارتفاع درجات الحرارة لكوكب الارض.

تشييد محطات الخلايا  الشمسية المزودة بانظمة تخزين الحرارة واجهزة تجميع و تحويل الطاقة  في المنطقة يمكن أن توفر الطاقة على مدار 24 ساعة في اليوم لهذه البلدان حيث انها تعتبر من اكثر البلدان التي تتمتع باطول وقت تعرض شمسي في العالم اذا ما قورنت بالدول الاوروبية.

 

سوف يستغرق تطوير محطات الطاقة الشمسية في المنطقة بعض الوقت. وسيتم استخدام المصانع الحالية التي تستخدم الوقود الأحفوري حتى 2041-2043. سوف تكون هناك حاجة إلى جهود البحث والتطوير لجعل تكاليف الطاقة الشمسية قادرة على المنافسة. في غضون ذلك ، قامت المملكة العربية السعودية بالفعل بتطوير عدد من محطات التحلية التي تعمل بالطاقة الشمسية ، كما افتتحت مؤخراً أول محطة للتناضح العكسي في العالم تعمل بالطاقة الشمسية على نطاق واسع في منطقة الخفجي ، بالقرب من الحدود مع دولة الكويت.

كما ان بعض البلدان اتجهت الى تسخير طاقة الرياح كطاقة بديلة وغير مباشرة لتزويد محطات تحلية المياه  كما هو الحال في استراليا.
ولا تزال هناك حاجة ملحة للتغلب على العقبات الخرى التي تحول دون تطوير محطات تحلية المياه والتي تتضمن التلوث الناجم عن المواد الكيميائية المضافة اثناء عملية المعالجة كذلك التلوث الحراري للمحتوى المائي للبحار، ومواصلة البحث العلمي لتطوير اليات ذات كفاءة عالية ومنخفضة التكاليف. حيث ان معدل النمو في هذه الصناعة مرهون بالتغلب على كل هذه المعيقات.

من الجدير بالذكر أن  المدير العام لمنظمة الأغذية والزراعة للأمم المتحدة (الفاو) دعا الدول العربية إلى مواصلة السعي نحو ابتكارات تساعد على تخطي أزمة ندرة المياه في إطار جهودها لمواجهة تغير المناخ.

كما أشاد بالتقدم الذي حققته دول منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا في بعض المجالات مثل تحلية المياه وجمع المياه والري بالتنقيط ومعالجة مياه الصرف الصحي، على الرغم من التحديات فيها.وقال “من الضروري تعزيز طرق الزراعة وإنتاج الغذاء بصورة عامة بحيث يتم استخدام كميات مياه أقل وبكفاءة أكبر. سيؤدي النمو السكاني وآثار تغير المناخ إلى زيادة الضغط على مدى توفر المياه في المستقبل القريب. ويشكل تغير المناخ، بالتحديد، مخاطر كبيرة جدا”.وأكد على ضرورة وضع المزارعين والأسر الريفية في قلب الاستراتيجيات المتعلقة بمواجهة ندرة المياه، قائلا إن “تشجيعهم فقط على تبني تقنيات زراعية أكثر فعالية غير كاف، بل يجب ضمان حصولهم على مياه الشرب”.وتستهلك الزراعة ما يزيد عن 80% من جميع عمليات سحب المياه العذبة في المنطقة والتي تصل ذروتها إلى أكثر من 90 %في عدد من الدول ومن بينها اليمن وسوريا، مما يجعل تبني ممارسات مستدامة وفعالة لإدارة المياه في الزراعة مهم جدا لتحقيق هدف القضاء على الجوع.

م. أحمد فايز ظاهر

عمان- الاردن

Water Desalination

Introduction

Only 1 percent of the earth’s water is liquid freshwater; 97 percent of available water resources are contaminated by salt. This makes desalination an essential component of efforts to address water shortages, especially in densely populated coastal regions. Egypt faces nowadays severe challenges to our ability to meet our future water needs, So we as a nation will need to make additional water resources available to all segments of our nation’s and provide additional water resources at a cost and in a manner that supports urban, rural and agricultural prosperity and environmental protection; Meeting these challenges may lead us to use saline water for a greater national focus on water conservation.

Desalination Definition

Desalination is a process that removes salts and other dissolved solids from brackish Water or seawater.

Brackish water and seawater

Brackish water is saltier than fresh water, but not as salty as seawater. Brackish water usually has a salt concentration between 5 and 20 parts per thousand (ppt) and seawater generally has a concentration of salt greater than 20 ppt. Brackish waters may also be found in aquifers.

Water type and Total Dissolved Solid:

TDS(mg/l) Water type
0-1000 Sweet waters
1000-5000 Brackish waters
5000-10000 Moderately saline waters
10000-30000 Severely saline waters
More than 30000 Seawater

Significance of Desalination

  • Desalination technologies will contribute significantly to ensuring a safe, sustainable, Affordable, and adequate water supply for Egypt.
  • Provide safe water: A safe water supply is one that meets all drinking water standards, meets all standards for use by agricultural and industrial interests, and that strives to move toward greater water security during drought, natural disasters, transport.
  • Ensure the sustainability of the nation’s water supply: A sustainable water supply is one that meets today’s needs without jeopardizing the ability to meet the needs of future generations.
  • Keep water affordable: An affordable water supply is one that provides water to the nation’s future citizenry at rates comparable to that of today.
  • Ensure adequate supplies: An adequate water supply is one that guarantees local and regional availability of water.

Desalination techniques:

1.      Distillation:

  • Multi-stage flash distillation (MSF)
  • Multiple-effect evaporator (MED|ME)
  • Vapor-compression evaporation (VC)

2.      Membrane processes:

  • Electrodialysis reversal (EDR)
  • Reverse osmosis (RO)

1.1. Multi-stage flash distillation

Multi-stage flash distillation (MSF) is a water desalination process that distills sea water by flashing a portion of the water into steam in multiple stages of what are essentially countercurrent heat exchangers. Multi-stage flash distillation plants produce [64%] percent of all desalinated water in the world, although a different type of desalinators, Reverse osmosis plants, are more numerous.

1.1.1. Principle:                                               

The plant has a series of spaces called stages, each containing a heat exchanger and a condensate collector. The sequence has a cold end and a hot end while intermediate stages have intermediate temperatures. The stages have different pressures corresponding to the boiling points of water at the stage temperatures. After the hot end there is a container called the brine heater. When the plant is operating in steady state, feed water at the cold inlet temperature flows, or is pumped, through the heat exchangers in the stages and warms up. When it reaches the brine heater it already has nearly the maximum temperature. In the heater, an amount of additional heat is added. After the heater, the water flows through valves back into the stages which have ever lower pressure and temperature. As it flows back through the stages the water is now called brine, to distinguish it from the inlet water. In each stage, as the brine enters, its temperature is above the boiling point at the pressure of the stage, and a small fraction of the brine water boils (“flashes”) to steam thereby reducing the temperature until equilibrium is reached. The resulting steam is a little hotter than the feed water in the heat exchanger. The steam cools and condenses against the heat exchanger tubes, thereby heating the feed water as described earlier.

Fig.1 The schematic representation for MSF technique

1.2. Multiple-effect distillation (MED)                                                                                              

Multiple-effect distillation is a distillation process often used for sea water desalination. It consists of multiple stages or “effects”. In each stage the feed water is heated by steam in tubes. Some of the water evaporates, and this steam flows into the tubes of the next stage, heating and evaporating more water. Each stage essentially reuses the energy from the previous stage.

The tubes can be submerged in the feed water, but more typically the feed water is sprayed on the top of a bank of horizontal tubes, and then drips from tube to tube until it is collected at the bottom of the stage.

1.2.1. Principle:                                                                                     

The plant can be seen as a sequence of closed spaces separated by tube walls, with a heat source in one end and a heat sink in the other end. Each space consists of two communicating subspaces, the exterior of the tubes of stage n and the interior of the tubes in stage n+1. Each space has a lower temperature and pressure than the previous space, and the tube walls have intermediate temperatures between the temperatures of the fluids on each side. The pressure in a space cannot be in equilibrium with the temperatures of the walls of both subspaces. It has an intermediate pressure. Then the pressure is too low or the temperature too high in the first subspace and the water evaporates. In the second subspace, the pressure is too high or the temperature too low and the vapor condenses. This carries evaporation energy from the warmer first subspace to the colder second subspace. At the second subspace the energy flows by conduction through the tube walls to the colder next space.

Fig.2 The schematic representation for MED technique

1.3. Vapor-compression desalination
                                                     

The VC operates mainly at a small scale, on small locations. The main mechanism is similar to MED except that it is based on compression of the vapor generated by evaporating water to a higher pressure, Which allows reuse of the vapor for supplying heat for the evaporating process.

Membrane desalination:

2.1. Electrodialysis reversal                                          

It is an  electro dialysis reversal water desalination membrane process that has been commercially used since the early 1960s. An electric current migrates dissolved salt ions, including  fluoridesnitrates and sulfates, through an electrodialysis stack consisting of alternating layers of cationic and anionic ion exchange membranes. Periodically, the direction of ion flow is reversed by reversing the polarity applied electric current.

2.2. Reverse osmosis                                                               

Reverse osmosis (RO) is a filtration method that removes many types of large molecules and ions from solutions by applying pressure to the solution when it is on one side of a selective membrane. The result is that the solute is retained on the pressurized side of the membrane and the pure solvent is allowed to pass to the other side. To be “selective,” this membrane should not allow large molecules or ions through the pores (holes), but should allow smaller components of the solution (such as the solvent) to pass freely.

Fig.3 The schematic representation for RO technique

Advantages and disadvantages of desalination techniques:

Desalination type Usage Advantages Disadvantages
Multi-stage flash distillation (MSF)

Desalination process that distills seawater by flashing a portion of the water into steam in multiple stages of what are essentially regenerative heat exchangers.

Accounts for 85% of all desalinated water; used since early 1950s MSF plants, especially large ones, produce a lot of waste heat and can therefore often be paired with cogeneration High operating costs when waste heat is not available for distillation. High rates of corrosion
Multiple-effect evaporator (MED|ME)

Using the heat from steam to evaporate water. In a multiple-effect evaporator, water is boiled in a sequence of vessels, each held at a lower pressure than the last.

Widely used, since 1845 High efficiency, while relatively inexpensive A large heating area is required
Vapor-compression evaporation (VC)

Evaporation method by which a blower, compressor or jet ejector is used to compress, and thus, increase the temperature of the vapor produced.

Mainly used for wastewater recovery Technique copes well with high salt content in water
Evaporation/condensation

Evaporation of seawater or brackish water and consecutive condensation of the generated humid air, mostly at ambient pressure.

Widely used Easiest method of distillation Time-consuming and inefficient in comparison to other techniques
Electrodialysis reversal (EDR)

Electrochemical separation process that removes ions and other charged species from water and other fluids.

Widely used, since early 1960s Long membrane lifetime and high efficiency (up to 94% water recovery, usually around 80%) High capital and operational costs
Reverse osmosis (RO)

Separation process that uses pressure to force a solvent through a membrane that retains the solute on one side and allows the pure solvent to pass to the other side.

Widely used, first plant installed in Saudi Arabia in 1979 In water purification, effectively removes all types of contaminants to some extent Requires more pretreatment of the seawater and more maintenance than MSF plants
Nanofiltration (NF)

Nanofiltration membranes have a pore size in the order of nanometers and are increasingly being used for water desalination.

Emerging technology Very high efficiency High capital cost, unknown lifetime of membrane, no large-scale plant built yet
Membrane distillation (MD)

In membrane distillation, the driving force for desalination is the difference in vapor pressure of water across the membrane, rather than total pressure.

Widely used Low energy consumption, low fouling

Considerations in water desalination:

1. Cogeneration:

Cogeneration is the process of using excess heat from power production to accomplish another task. Theoretically any form of energy production could be used. However, the majority of desalination plants use either fossil fuels or nuclear power as their source of energy. Most plants is located in the Middle East or North Africa, due to their petroleum resources.

2. Economics:

A number of factors determine the capital and operating costs for desalination: capacity and type of facility, location, feed water, labor, energy, financing, and concentrate disposal

 Desalination stills now control pressure, temperature and brine concentrations to optimize the water extraction efficiency. In places far from the sea, like New Delhi, or in high places, like Mexico City, high transport costs would add to the high desalination costs. One needs to lift the water by 2,000 meters (6,600 ft), or transport it over more than 1,600 kilometers (990 mi) to get transport costs equal to the desalination costs. Thus, it may be more economical to transport fresh water from somewhere else than to desalinate it. Desalinated water is also expensive in places that are both somewhat far from the sea and somewhat high, such as Riyadh .Israel is now desalinating water at a cost of US$0.53 per cubic meter.[17] Singapore is desalinating water for US$0.49 per cubic meter

3. Environmental:

One of the main environmental considerations of ocean water desalination plants is the impact of the open ocean water intakes, especially when co-located with plants. These intakes are no longer viable without reducing mortality, by ninety percent, of the life in the ocean; the plankton, fish eggs. Other environmental concerns include air pollution and greenhouse gas emissions from the power plants. To limit the environmental impact of returning the brine to the ocean, it can be diluted with another stream of water entering the ocean. Discharges of brine into sea water have the potential to harm ecosystems, especially marine environments in regions with low turbidity and high evaporation that already have elevated salinity. Examples of such locations are the Persian Gulf, the Red Sea and The UAE, Qatar, Bahrain, Saudi Arabia, Kuwait and Iran have 120 desalination plants between them. These plants flush nearly 24 tons of chlorine, 65 tons of algae-harming antiscalants used to descale pipes, and around 300kg of copper into the Persian Gulf every day.

Conclusion:

Desalination process provides safe water and ensures the sustainability of the nation’s water supply. Egypt should do their best to use our sources such as solar energy and wind to use it as an inexpensive techniques for seawater desalination.

By

Amal  Sayed Moustafa Elsonbaty

Environmental Researcher