تحلية المياه
تعريف المياه
الماء هو سائل بلا لون أو طعم أو رائحة، ويتكون بشكل أساسي من جزيئات تتألف من ذرة أكسجين وذرتين من الهيدروجين، ويرمز له بـ (H2O). يُعتبر الماء أحد أكثر الموارد وفرةً على سطح كوكب الأرض، حيث يغطي حوالي 72% من مساحة سطحه؛ ولهذا يُطلق على الأرض في بعض الأحيان اسم “الكوكب الأزرق”. كما يمثل الماء حوالي 70% من وزن جسم الإنسان البالغ، و75% في أجسام الطيور، و80% في الثمار. على الرغم من تركيبته البسيطة، فإن الماء يعد من أكثر المواد غرابة في الطبيعة، فهو يُعتبر أكبر مذيب على سطح الأرض ويمتلك خصائص فيزيائية متنوعة.
عملية تحلية المياه
تحتوي المياه على أنماط متنوعة من الأملاح تتواجد في شكل كلوريدات، كبريتات، أو كربونات مثل الصوديوم، والكالسيوم، والمغنيسيوم. هذه الأملاح غير ملائمة للاستهلاك البشري مثل الشرب، والغسل، وطهي الطعام. لذلك، تسعى العديد من الدول في المناطق الصحراوية والجافة إلى استخدام تقنيات تحلية مياه البحر للتخلص من الأملاح الزائدة وجعلها صالحة للشرب. يواجه العالم الآن تحديات كبيرة لتلبية الطلب المتزايد على المياه العذبة، حيث لا تزال كميات المياه المتاحة للاستخدام البشري أقل بكثير من المستويات المطلوبة، خاصة في الدول النامية والفقيرة. لذلك، قام العلماء والباحثون بتطوير أساليب لتحويل المياه المالحة في البحار والمحيطات إلى مياه صالحة للاستخدام البشري، وهو ما يُعرف بعملية تحلية المياه. حيث يتم إزالة نسبة الملوحة العالية لتحويل المياه إلى مياه صالحة للشرب، ويمكن أن تُستخدم هذه المياه أيضًا في ري المحاصيل الزراعية أو للعمليات الصناعية.
تحديد طرق تحلية المياه
توجد العديد من الأساليب المختلفة لتحلية المياه، ولفهم الطريقة الأنسب المستخدمة يجب النظر في عدة عوامل متعلقة بموقع التحلية، مثل:
- الظروف الجغرافية للموقع.
- تحليل نوعية المياه المتاحة، سواء كانت من البحار، أو البحيرات، أو الآبار.
- دراسة الأنشطة السكانية والتنموية المحيطة بالمنطقة.
- فهم نمط الاستهلاك الحالي والمتوقع خلال العقود القادمة.
- تحديد مصادر المياه المالحة ومدى استقرار تركيبتها الكيميائية والطبيعية.
- تحديد مصادر الطاقة التقليدية المتاحة في المنطقة.
- تحديد مصادر الطاقة البديلة المتاحة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
استخدام الطاقة الشمسية في تحلية المياه
تحلية المياه باستخدام الطاقة الشمسية هي عملية يتم من خلالها تحويل المياه المالحة إلى مياه صالحة للشرب عن طريق تحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة. تتشابه هذه العملية مع دورة المياه الطبيعية التي تشكل الأمطار. يتم تسخين المياه المالحة بواسطة أشعة الشمس عبر جهاز بسيط يحتفظ بالحرارة، يعرف بـ “جهاز التحلية المنزلي”، والذي يكون على شكل هرم أو نصف كرة، وسطحه مصنوع من البلاستيك أو الزجاج الشفاف للسماح بأشعة الشمس بالمرور. نتيجة لارتفاع درجة حرارة الماء، يتحول الماء من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية (تبخر)، حيث يرتفع بخار الماء ويتجمع في الغطاء العلوي للجهاز ليتم جمعه في حوض منفصل. تظل الأملاح في القاع لعدم تبخرها. وتتناسب كمية المياه العذبة المتولدة مع المساحة السطحية للجهاز، حيث ينتج عن كل متر مربع من سطح التكاثف حوالي 2 – 3 لترات من المياه العذبة، وقد تختلف هذه الكمية اعتمادًا على الظروف الجوية. تُعتبر كمية المياه المُنتجة بواسطة الطاقة الشمسية قليلة نسبيًا، لذا تم تطوير طريقة تحلية غير مباشرة لزيادة الإنتاج باستخدام تقنيات متعددة مثل التقطير المتعدد المراحل (MSF) أو التناضح العكسي (RO). تعد الطاقة الشمسية مصدرًا رئيسيًا للطاقة المتجددة، والتي تساهم في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وخفض تكاليف تشغيل محطات تحلية المياه.
تحلية المياه باستخدام جزيئات النانو والطاقة الشمسية
قام فريق من مركز (نويت) بتطوير نظام مبتكر لتحلية المياه عبر الطاقة الشمسية. يعتمد النظام على فصل مجرى الماء البارد عن الساخن عبر غشاء رقيق، حيث يتم سحب بخار الماء من الجزء الساخن إلى البارد وتصفية جزيئات الملح الذائبة. تم تحسين النظام بإضافة مزيد من الأغشية وجزيئات نانو الكربون الأسود التي تقوم بتحويل طاقة الشمس إلى حرارة، مما يجعل هذا الغشاء الفاصل أكثر كفاءة ولا يحتاج إلى إمدادات ثابتة من المياه الساخنة. تعتمد هذه العملية على القليل من الطاقة، حيث يكفي تسخين الماء ليكون دافئًا وليس مغليًا. يقدم هذا النظام وفراً مهماً للطاقة، كونه يعتمد على ألواح الطاقة الشمسية، مع احتمالية الحاجة إلى مضخة لدفع الماء خلال العملية. وقد تمكن المطورون من زيادة كفاءة النظام من خلال زيادة تركيز أشعة الشمس باستخدام عدسة لتكثيف الأشعة الشمسية بمقدار يصل إلى 25 مرة، مما أدى إلى إنتاج 17.5 كيلو واط لكل متر مربع من الشمس المركزة، ونتيجة لذلك زاد إنتاج الماء إلى حوالي ست لترات لكل متر مربع في الساعة.