حل مشکل کم‌آبی کشور با روش نوین محقق ایرانی/ هزینه‌ یون‌زدایی آب لب‌شور کاهش می‌یابد

آب لب‌شور آبی است که میزان نمک آن از آب شیرین بیشتر و از آب دریا کمتر است و میزان مواد جامد موجود در آن بین هزار و ۵۰۰ تا ۵ هزار میلی‌گرم در لیتر باشد. آب لب‌شور معمولا از ترکیب آب دریا و آب رودخانه یا چاه حاصل می‌شود، البته آب برخی دریاچه‌ها و تالاب‌ها به صورت ذاتی لب‌شور است. با استفاده از فناوری‌های روز به‌راحتی می‌توان آب لب‌شور را تصفیه و استفاده کرد، یکی از روش‌های رایج برای شوری‌زدایی از آب لب‌شور از اسمز معکوس است.

با این حال به‌کارگیری سیستم‌های شوری‌زدایی اسمز معکوس چالش‌هایی را به همراه دارد، مصرف انرژی بالا، فرایند شوری‌زدایی و یون‌زدایی طولانی مدت و قیمت بالای مواد اولیه مورد نیاز از جمله مشکلات این روش رایج شیرین‌سازی آب در جهان است. همانطور که گفته شد آب لب‌شور به اندازه آب دریا شور نیست بنابراین صرف هزینه بالا برای تصفیه آن لزومی ندارد. در حال حاضر در دنیا برای شوری‌زدایی و یون‌زدایی از آب‌های لب‌شور از روش‌های هیبریدی استفاده می‌شود که ترکیبی از اسمز معکوس و دستگاه یوزن‌زدای ابرخازنی است. بدین ترتیب میزان کار دستگاه اسمز معکوس کم می‌شود که درنتیجه آن میزان هزینه‌ها نیز کاهش می‌یابد.

یون‌زدایی از آب لب‌شور به سبک ایرانی

کمبود آب اساسی‌ترین مشکل کشور به شمار می‌رود، بنابراین فناوری‌های حوزه آب مانند سیستم‌های شیرین‌سازی و یون‌زدایی طی سال‌های توجه بسیاری را به خود جلب کرده‌اند. حال یک محقق ایرانی به نام سارا مدنی موفق به توسعه الکترودهای نوینی بر پایه گرافن شده که در فرایند یون‌زدایی خازنی به کار می‌رود. این الکترودها روشی اقتصادی و کارآمد برای تصفیه آب‌های لب‌شور فراهم می‌کنند. این دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر با تلفیق نانولوله‌های کربنی، اکسید گرافن و کربن فعال سیستم ابزخازن دو الکترودی توسعه داده که روشی موثر در یون‌زدایی از آب‌ لب‌شور به شمار می‌رود.

به گفته مدنی؛ اکثر پروژه‌های دانشگاهی به دور از نیازهای واقعی جامعه هستند. پژوهش در حوزه آب از علایق شخصی من است و از ابتدا قصد داشتم که طرحی را اجرا کنم که امکان صنعتی‌سازی آن در جامعه وجود داشته باشد. یون‌زدایی خازنی از جمله فناوری‌هایی است که امید زیادی به آن بسته شده و به نوعی مولد آب به شمار می‌رود. تاکنون مقالات موفقی در خصوص این فناوری در جهان منتشر شده البته در ایران بسیار کم به یون‌زدایی خازنی پرداخته شده و موارد موجود نیز قوی نیستند. بنابراین پروژه‌ای در زمینه یون‌زدایی از آب‌های لب‌شور را کلید زدم که در آن از فناوری نوینی استفاده شده است. این پروژه هم‌اکنون نیز در مقیاس بزرگ‌تری در حال انجام است.»

در این روش یون‌زدایی از آب لب‌شور به روشی خاص انجام می‌شود که شباهت بسیاری به سیستم ابرخازنی دارد. ماده الکترودهای این سیستم براساس نوع جدیدی از گرافن است، البته میزان گرافن مورد استفاده در این روش بسیار کم است. این دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر می‌گوید «نتایج استفاده از این روش در سیستم‌های ابرخازنی قابل‌توجه بوده‌اند که از نظر پژوهشی بسیار امیدوارکننده به شمار می‌روند. این مطالعه پایه و اساس مورد نیاز برای انجام پروژه‌های بیشتر را ایجاد کرده و ثابت می‌کند که می‌توان از مواد دیگر به صورت تلفیقی و ترکیبی به عنوان الکترود روی سیستم‌های یون‌زدایی خازنی استفاده کرد. از نتایج این پژوهش می‌توان برای بهبود عملکرد سیستم‌های یون‌زدایی خازنی استفاده کرد تا به سطح بهینه‌ای برسند که در جهان وجود دارد و استفاده می‌شود.»

مزایای سیستم یون‌زدای خازنی ایرانی چیست؟

یون‌زدایی خازنی فناوری جدیدی نیست و کارهای تحقیقاتی بسیاری در این حوزه انجام شده است. محققان در حال حاضر تلاش می‌کنند تا این فناوری را بهبود بخشند و وارد صنعت کنند. برای مثال تحقیقاتی در خصوص بهینه‌سازی انرژی این سیستم انجام شده، برخی مطالعات عملکرد یون‌زدایی آن را بهتر کرده‌ یا الکترودهای مورد استفاده در این سیستم را تغییر داده‌اند. برخی مطالعات در راستای افزایش میزان جذب یون صورت گرفته است، پژوهش محقق ایرانی نیز در راستای ساخت الکترودهای ارزان‌قیمت با کارامدی بالا بوده است. بارها از الکترودهای گرافنی در سیستم‌های یون‌زدایی خازنی استفاده شده اما گرافن ماده‌ای قیمتی به شمار می‌رود بنابراین استفاده مقادیر بالای آن به صرفه نیست. سیستم نوین علاوه‌ بر کاهش هزینه‌ها، مدیریت یون‌زدایی آب لب‌شور را نیز آسان‌تر می‌کند. همچنین میزان پساب آن کمتر از روش اسمز معکوس است.

مدنی در الکترودهای خود تنها از چهار میلی‌گرم گرافن استفاده کرده با این حال یون‌زدایی این سیستم برابر با مدل‌هایی است که الکترودهای گرافنی ۲۰ تا ۳۰ گرمی دارند. بدین‌ ترتیب نه‌تنها عدد زدایش نمک از آب سیستم ایرانی با الکترودهای گرافنی ۳۰ گرمی رقابت می‌کند بلکه هزینه‌های کلی یون‌زدایی آب‌ لب‌شور نیز کاهش می‌یابد. این نخستین بار در جهان است که از اکسید گرافن در الکترودهای سیستم یون‌زدایی خازنی استفاده می‌شود. این دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر معتقد است «در چنین پروژه‌هایی صرفه اقتصادی بسیار مهم است چراکه یک فانتزی را به واقعیت و یک عدد ذهنی را به عددی عملیاتی تبدیل می‌کند. امیدوارم این فناوری درنهایت به سوی صنعتی شدن برود البته تحقق این امر مستلزم ادامه روند پژوهشی به صورت هدفمند است.»

تجاری‌سازی؛ رویا یا واقعیت؟

به گفته مدنی «یون‌زدایی آب لب‌شور با الکترودهای جدید فناوری‌ای نیست که با یک پروژه دکتری از فاز تحقیقاتی به عملیاتی برسد. پژوهش‌ها در خصوص روش جدید همچنان ادامه دارد و هنوز به مرحله نهایی نرسیده است. در کشورهای دیگر وقتی پروژه‌ای کامل می‌شود میان مرحله نهایی تا تجاری‌سازی فاصله قابل‌توجهی وجود دارد. در این مدت گروهی به تجاری‌سازی محصول می‌پردازند. فاصله بین تکمیل پژوهش و تجاری‌سازی در ایران بسیار بیشتر است و از سوی دیگر گروه یا نهادی برای تجاری کردن محصول وجود ندارد. تداوم این پژوهش‌ها در مرحله دانشگاهی نیز به استمرار استاد و دانشجو بستگی دارد.»

این محقق ایرانی باور دارد: «مقاله نوشتن با تجارت فرق دارد، تجاری‌سازی چنین فناوری به حمایت مالی، هدف‌گذاری طولانی مدت و تعریف پروژه‌های تجاری نیاز دارد. به ندرت از پتانسیل اساتید و دانشجویان برای انجام کارهای تجاری مفید که مشکلات کشور را حل می‌کنند، استفاده می‌شود. در سیستم دانشگاهی اعتقاد بر این است که یک استاد باید به طور مرتب مقاله منتشر کند. این در حالی است که کشورهای دارای فناوری یون‌زدایی خازنی مقالات بسیار کمی در این خصوص منتشر کرده‌اند، شاید تنها یک‌دهم از آنچه را ساخته‌اند در مقالات آورده‌ باشند. چنین فناوری‌هایی به صورت جهانی گزارش داده نمی‌شود.»

در بسیاری از کشورها آب‌ لب‌شور به روش هیبریدی یون‌زدایی می‌شود و لازم به پرداخت هزینه هنگفت برای استفاده از روش اسمز معکوس نیست. روش نوین تحولی در بهینه‌سازی هزینه‌های یون‌زدایی ایجاد کرده و در صورتی که تجاری‌سازی شود قادر به زدایش یون در مقیاس مناسبی است. فناوری اسمز معکوس نیز راه طولانی را طی کرده تا به تجاری‌سازی رسیده و در حال حاضر در سراسر دنیا استفاده می‌شود. نواقص و مشکلات آن به مرور زمان گرفته شده تا به فناوری فراگیر تبدیل شده، یون‌زدایی خازنی نیز باید این مسیر را طی کند.