تصفیه آب و فرآیند نمک زدایی از آب
مک‌زدایی فرآیند ایجاد آب شیرین با حذف شوری (نمک) از توده‌ی آب نمک می‌باشد. درجات مختلفی از شوری برای آب درنظر گرفته می‌شود، که بر دشواری و هزینه‌ی مربوط به تصفیه تأثیر دارد، و سطح شوری معمولاً به‌صورت قسمت در میلیون (ppm) سنجیده می‌شود. سازمان زمین شناسی ایالات متحده طرحی کلی از ترکیبات مربوط به آب شور تهیه کرده است: 1000 ppm تا 3000 ppm شوری کم، 3000 ppm – 1000 ppm شوری متوسط و 10000 ppm – 35000 ppm شوری بالا است.
آبی که شوری آن کمتر از 1000 ppm باشد، کلاً آب شیرین در نظر گرفته می‌شود، و برای آشامیدن و استفاده جهت مصارف خانگی و کشاورزی بدون ضرر می‌باشد. برای یک نقطه مبنا، شوری آب اقیانوس معمولی حدود 35000 ppm، شوری دریاچه بزرگ نمک بین 50000 - 270000 ppm، و شوری متوسط دریای خزر در حدود 12000 ppm است. هرقدر که آب شورتر باشد، برای شیرین کردن آن باید انرژی و تلاش بیشتری صرف گردد.
فرآیندهای نمک‌زدایی (Desalination Processes)
برای نمک‌زدایی روش‌های متعددی وجود دارد که در متن زیر توضیح داده می‌شوند. اسمز معکوس در حال حاضر رایج‌ترین نوع نمک‌زدایی است و تقطیر سریع چندمرحله‌ای روشی است که هم‌اکنون بیشترین مقدار آب را شیرین می‌کند. (روش‌های دیگری نیز برای نمک‌زدایی و منابع انرژی وجود دارند که کمتر متداول بوده و در اینجا مورد بحث قرار نمی‌گیرند.)
اسمز معکوس (Reverse Osmosis)
اسمز معکوس فرآیندی است که در آن از وارد کردن فشار بر روی محلول آبی جهت عبور دادن آن از میان غشاء استفاده می‌شود و غشاء مانع از عبور املاح بزرگتر (نمک) می‌گردد. به‌طور کلی اسمز معکوس در بین همه‌ی فرآیندهای با مقیاس بزرگ، دارای حداقل مصرف انرژی می‌باشد.
چندین اشکال برای فرآیند اسمز معکوس وجود دارد. غشاء‌های کنونی مستعد تجمع باکتری‌های بسیار و "مسدود شدن" هستند، البته وقتی‌که برای اولین بار مورد استفاده قرار می‌گیرند، این امر در آنها اصلاح می‌گردد. اگر از کلر برای برطرف کردن باکتری‌ها استفاده شود، وضعیت ممبرین‌ها بدتر می‌شود. اشکال دیگر، کیفیت آب مورد بحثی است که اسمز معکوس آن‌را تولید می‌کند، همراه با پیش تصفیه در نظر گرفته شده‌ای که آب شور لازم دارد.
اسمز رو به‌جلو (Forward Osmosis)
در اسمز رو به جلو از فرآیند اسمز طبیعی استفاده می‌شود؛ یک ماده از منطقه‌ای با غلظت کم به منطقه‌ای با غلظت بالا حرکت می‌کند. هزینه‌ی لازم برای انجام این فرآیند معمولاً نصف هزینه‌ی اسمز معکوس است، زیرا برای تکمیل فرآیند انرژی کمتری استفاده می‌شود. به‌جای وارد کردن نیرو به محلول و ایجاد اختلاف فشار، این فرآیند اجازه می‌دهد که این کار به‌طور طبیعی انجام شود. در هنگام نمک‌زدایی از آب، محلولی از آب دریا از میان یک غشای نیمه تراوا به‌سمت محلولی که غلظت زیادی از نمک‌های آمونیاک دارد حرکت می‌کند، در نتیجه نمک‌های دریا در طرف دیگر ممبرین باقی می‌مانند. سپس، محلول گرم می‌شود تا نمک آمونیاک تبخیر شده و برای استفاده مجدد آماده گردد.
اشکال اصلی در مورد اسمز رو به‌جلو، داشتن پتانسیل بسیار زیاد آن است، اما هنوز هم نمک‌زدایی در مقیاس بزرگ، کاری جدید محسوب می‌شود و بنابراین نیازمند بودجه و پژوهش جهت بررسی امکاناتی است که بتواند آن را اصلاح کند و موجب کاهش هزینه‌های مربوط به انرژی شود.
الکترودیالیز (Electrodialysis)
در الکترودیالیز معکوس، مشابه با اسمز معکوس، از یک ممبرین استفاده می‌شود، اما یک بار الکتریکی به محلول منتقل می‌شود تا یون‌های فلزی از یک طرف جذب قطب مثبت شده، و یون‌های دیگر (مانند نمک) به‌طرف قطب منفی در سوی دیگر کشیده شوند. بارهای الکتریکی به‌صورت دوره‌ای معکوس می‌شوند تا ممبرین دچار آلودگی بیش از حد نشود، پدیده‌ای که معمولاً در الکترودیالیز منظم رخ می‌دهد. یون‌هایی که بر روی دو صفحه قرار می‌گیرند می‌توانند برطرف شوند، و آب خالص پشت سر را ترک کنند. اخیراً گزارش شده است ممبرین‌هایی تولید شده‌اند که در برابر کلر مقاوم هستند و در مقایسه با اسمز معکوس یون‌های مضر بیشتری (نه تنها نمک) را حذف می‌کنند. مشکل اولیه‌ی الکترودیالیز معکوس، هزینه مربوط به سرمایه‌گذاری جهت ایجاد تأسیسات، و نیز هزینه‌های انرژی می‌باشد.
نمک‌زدایی حرارتی (Thermal Desalination)
آب شیرین‌کن حرارتی روشی برای تمیز کردن آب است که می‌تواند از طریق فرآیندهای بسیار متفاوتی انجام گردد، و شامل حذف نمک و دیگر آلاینده‌ها می‌باشد. کل نمک‌زدایی حرارتی عبارت است از فرآیند گرم کردن محلول آبی و جمع‌آوری آب خالص، هنگامی‌که بخار سرد می‌شود و چگالش رخ می‌دهد. دو روش نمک‌زدایی از آب که اغلب مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از:
تقطیر سریع چندمرحله‌ای (Multistage Flash Distillation)
تقطیر سریع چند مرحله‌ای وقتی رخ می‌دهد که آب گرم تولیدشده چند بار دیگر گرم شود، فشار در هر مرتبه عملیاتی نیز نسبت به مرتبه قبل کمتر می‌باشد. دستگاه‌های تقطیر سریع چند مرحله‌ای در کنار نیروگاه‌های برق ساخته می‌شوند تا از گرمای هدر رفته استفاده کنند. این دستگاه نسبت به دستگاه‌های اسمز معکوس نیاز به انرژی بسیار کمتری دارد. چند نیروگاه بزرگ در عربستان سعودی از روش تقطیر سریع چندمرحله‌ای استفاده می‌کنند، گزارش شده است که تولید آنها در حدود 85٪ از کل آب شیرین است، هر چند که تعداد دستگاه‌های اسمز معکوس از دستگاه‌های تقطیر سریع چند مرحله‌ای بیشتر می‌باشد. اشکال اصلی تقطیر سریع چند مرحله‌ای، نیاز به مصرف زیاد‌تر آب نمک نسبت به روش اسمز معکوس، و نیز هزینه‌های سرمایه‌گذاری و نگهداری است که به‌طور قابل ملاحظه‌ای زیاد می‌باشد.
تقطیر با تأثیر چندگانه (Multi Effect Distillation)
تقطیر با تأثیر چندگانه، فرآیندی ساده شبیه به تقطیر سریع چند مرحله‌ای است. محلول آب نمک گرم می‌شود و آب خالص تولید شده به محفظه‌ی بعدی جریان می‌یابد. انرژی گرمایی حمل شده با تولید بخار بیشتر دوباره برای جوشاندن مورد استفاده قرار می‌گیرد. اشکال اصلی این است که فقط در آب شیرین‌کن‌های با اندازه کوچک‌تر می‌توان از آنها به‌صورت بهینه استفاده کرد. مقدار هزینه‌ها برای تأسیسات بزرگ، بسیار زیاد می‌باشد.
معکوس عملیات نمک‌زدایی (Negative of Desalination)
چند اشکال عمومی نیز برای فرآیندهای نمک زدایی وجود دارد. مشکل این فرآیند، برگشت محلول نمکی زائد به اقیانوس است که این مسئله می‌تواند به حیات اقیانوسی آسیب وارد نماید. انرژی مورد نیاز برای راه‌اندازی و همچنین نیروی لازم برای تأسیسات نمک‌زدایی بسیار گران است و چون اکثر منابع انرژی فعلی نیز از سوزاندن سوخت‌های فسیلی به دست می‌آیند، معمولاً فقط بحران زیست محیطی، نسبت به مسائل دیگر ارجح می‌باشد. در مورد انرژی، انرژی هسته‌ای به‌طور بالقوه مقرون به‌صرفه‌ترین منبع انرژی است، اما افکار عمومی موجب شده که داشتن یک نیروگاه هسته‌ای محلی یا مرکزی برای زباله تا حد زیادی متوقف شود. اگر مناطقی که برای استفاده از آب شیرین‌کن در نظر گرفته می‌شوند دور از ساحل و یا در ارتفاع قرار داشته باشند، هزینه‌ی مربوط به انجام این فرآیند باز هم بیشتر می‌شود. در مناطق دور و مرتفع باید آب را از اقیانوس و یا منبع آب شور تأمین نمود.