به گزارش تک‌اکسپلور، سطح آب دریاچه "مید" که آب میلیون‌ها نفر را تامین می‌کند، به پایین‌ترین حد خود رسیده و در برخی نقاط، سطح رودخانه کلرادو رو به کاهش است که حدود ۵ میلیون هکتار زمین کشاورزی را آبیاری می‌کند و تشنگی بیش از ۴۰ میلیون نفر را فرو می‌نشاند.  

در همین حال، از سال ۲۰۱۸، حدود ۸۰ درصد از فاضلاب این کشور از جمله آب مورد استفاده در کشاورزی، نیروگاه‌ها و معادن بدون تصفیه و غیرقابل استفاده، به زمین ریخته می‌شود که فرصتی از دست رفته است. اگرچه فناوری‌های امروزی تصفیه که از فرآیندی به‌نام اسمز معکوس استفاده می‌کنند، همچنان مقرون‌به‌صرفه‌ترین و کم‌هزینه‌ترین روش برای تصفیه آب دریا و آب‌های زیرزمینی شور هستند، اسمز معکوس معمولی نمی‌تواند آب‌های فوق شور را کنترل کند، آب‌هایی که حاوی دو برابر نمک اقیانوس هستند. از آنجایی که ذخایر آب ایالات‌متحده کاهش می‌یابد و شورتر می‌شوند، این کشور دیگر نمی‌تواند حتی شورترین منابع را به جهان بازگرداند.

اکنون، در تحقیق جدیدی، اعضای کنسرسیوم تحقیقاتی اتحاد ملی برای نوآوری در آب (NAWI) شکل نوظهوری از اسمز معکوس به‌نام اسمز معکوس با دفع کم نمک را تجزیه و تحلیل کردند. این سیستم‌های جدید می‌توانند حتی آب بسیار شور را تصفیه کنند اما طراحی آن به‌قدری جدید است که هنوز در مرحله نظریه قرار دارد.

به همین دلیل برای یادگیری نحوه رقابت این فناوری‌ها با دیگر گزینه‌های تصفیه آب، گروه تحقیقاتی یک مدل ریاضی ایجاد کرد که می‌تواند با کمک یک ابررایانه، هزینه، خروجی آب تمیز و مصرف انرژی بیش از ۱۳۰ هزار طرح‌های سیستم بالقوه را به‌سرعت ارزیابی کند. نتایج آنان نشان می‌دهد که در بسیاری از موارد، اسمز معکوس با دفع کم نمک می‌تواند مقرون به صرفه‌ترین انتخاب باشد و به‌طور بالقوه هزینه کلی تولید آب تمیز را تا ۶۳ درصد کاهش دهد.

آدام آتیا، مهندس ارشد در آزمایشگاه ملی فناوری انرژی و محقق اصلی تحقیق گفت: هدف نهایی این تحقیق انجام یک ارزیابی فنی-اقتصادی کامل از یک فناوری جدید است که هنوز در دنیای واقعی آزمایش نشده است اما پتانسیل آن را دارد که نمک‌زدایی با بازیابی زیاد آب را ممکن سازد.

اگرچه تحقیقات کمی هزینه و کارایی بالقوه سیستم‌های اسمز معکوس با دفع کم نمک را ارزیابی کرده‌اند، این تحقیق، تحلیل جامع‌تری از طراحی، عملکرد و اجرای آنها ارائه می‌کند. برای درک بهتر وعده‌های بالقوه این سیستم‌های نظری، گروه تحقیقاتی از یک ابررایانه برای بهینه‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین طرح‌ها استفاده، سپس چگونگی عملکرد این طرح‌ها در صدها هزار زمینه (در مقابل تعداد انگشت شماری) را بررسی کرد.

از آنجایی که سیستم‌های اسمز معکوس با دفع کم نمک اجازه عبور نمک بیشتری از هر غشا را می‌دهند، به نیروی کمتری و در نتیجه انرژی کمتری نیاز دارند تا آب را از آن عبور دهند اما، اگر نمک بیشتری را بتواند از بین ببرد، تعجب‌آور نیست که آب به‌دست آمده هنوز برای نوشیدن بسیار شور باشد. برای تولید آب آشامیدنی، این آب خیلی شور، دوباره در مراحل غشایی قبلی بازیافت می‌شود. هنگامی که محتوای نمک به اندازه کافی کم شد، اسمز معکوس استاندارد می‌تواند باقیمانده را حفظ و آب آشامیدنی با کیفیت بالا تولید کند.

تمام بازیافت به پیچیدگی سیستم می‌افزاید بنابراین، گروه باید بفهمد که چند مرحله غشایی بهینه است؟ چند حلقه بازیافت مورد نیاز است؟ و این حلقه‌ها چقدر هزینه و انرژی اضافه می‌کنند؟ برای پاسخ به این سؤالات، محققان می‌توانند به‌صورت جداگانه محاسبه کنند که هر طرح می‌تواند چقدر آب تمیز از آب‌هایی با غلظت‌های مختلف نمک تولید کند.

اتان یانگ، محقق آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر و محقق این تحقیق ابراز کرد: این کار به‌طور بالقوه زمان زیادی را برای حل آن‌ها می‌برد. ما توانستیم این کار را در چند دقیقه با محاسبات با عملکرد بالا انجام دهیم، در آن چند دقیقه، آنان نه یک بلکه صدها هزار سناریوی بالقوه را بررسی کردند.

برنارد (بن) کنوون، محقق تحقیق افزود: جدید بودن تحقیق ما، به علت قدرت نیروی محاسباتی است که ما در این تحلیل به‌کار بردیم.

یانگ بیان کرد: بدون ابررایانه، تمام این محاسبات به‌جای یک ساعت یا حتی چند دقیقه، حدود ۸۸ روز طول می‌کشد. البته این ابررایانه برای حل سریع و دقیق این مسائل پیچیده طراحی به جادوی ریاضی کنوون و یانگ نیز نیاز داشت.

به کمک این ریاضیات سریع، گروه کشف کرد که اسمز معکوس با دفع کم نمک می‌تواند از رقبای خود هم در هزینه و هم در مصرف انرژی، حداقل برای آبی که کمتر از ۱۲۵ گرم نمک در هر لیتر دارد، بهتر عمل کند البته مدل این گروه همچنین می‌تواند به سایر گروه‌های تحقیقاتی کمک کند تا امیدوارکننده‌ترین طرح‌های سیستم را شناسایی کرده، بسازند و آزمایش کنند.

این مدل را نیز می‌توان گسترش داد تا به محققان در یافتن بهترین طرح‌ها برای سیستم‌های اسمز معکوس کمک کند. تحقیق آنان اولین موردی است که از بستر ارزیابی فنی-اقتصادی تصفیه آب استفاده کرده و به آن اضافه می‌کند. این بستر، یک ابزار نرم‌افزاری در دسترس عموم است که به کاربران این قدرت را می‌دهد تا فناوری‌های مختلف تصفیه آب را مدل‌سازی و شبیه‌سازی کرده و هزینه، انرژی و مبادلات زیست محیطی آن‌ها را ارزیابی کنند.

کنوون بیان کرد: فکر می‌کنم خیلی عالی است. ما در حال ساخت ابزاری هستیم که می‌تواند به ما و سایر محققان کمک کند تا پتانسیل فناوری‌های جدید و هیجان‌انگیز را ارزیابی کنیم.

در مرحله بعد، محققان امیدوارند با گروه‌های آزمایشی همکاری کنند تا نحوه عملکرد سیستم‌های اسمز معکوس با دفع کم نمک در دنیای واقعی را بسازند و ارزیابی کنند. برای مثال، تجمع مواد معدنی می‌تواند سرعت سیستم را آهسته کند و باید در ارزیابی‌های آینده در نظر گرفته شود.

آتیا خاطرنشان کرد: در هر صورت، این شکل نوظهور اسمز معکوس، می‌تواند ابزار ارزشمندی برای به حداکثر رساندن بازیافت آب از منابع با شوری بالا باشد و مدل ما می‌تواند نقش کلیدی در حمایت از استقرار این فناوری ایفا کند.

کنوون افزود: برای من، این مورد، نمایشی است از آنچه که ما می‌توانیم با کمی محاسبات و کمی بهینه‌سازی انجام دهیم.

یافته‌های این تحقیق در مجله Desalination منتشر شده است.

انتهای پیام