هل يمكن تشغيل أنظمة التناضح العكسي بالطاقة الشمسية؟

1. الخلفية

كتقنية متقدمة لمعالجة المياه، تُستخدم التناضح العكسي على نطاق واسع في تحلية مياه البحر، وإنتاج أجهزة تنقية المياه، ومعالجة مياه الغلايات. حاليًا، ضغط تشغيل المضخة في نظام التناضح العكسي ضغطها مرتفع جدًا، عادةً ما يتجاوز 1.8 ميجا باسكال، واستهلاكها للطاقة كبير. لذلك، من المهم جدًا تقليل استهلاك طاقة التناضح العكسي.

كشفت شركة NEWater عن نظام معالجة RO موفر للطاقة، والذي يستخدم ظروف التشغيل ذات الضغط العالي لنظام معالجة التناضح العكسي لاستعادة واستخدام طاقة الضغط المتبقية من مياه التناضح العكسي المركزة في ظل ظروف الضغط العالي بشكل كامل، وذلك لتوفير الطاقة وتحسين الكفاءة.

بالإضافة إلى تقنية توفير الطاقة لاستعادة طاقة الضغط المتبقية من مياه التناضح العكسي المركزة، فإن استخدام الطاقة الشمسية لتقليل استهلاك الطاقة له أيضًا مزايا توفير الطاقة وحماية البيئة وله آفاق تطبيق واسعة.

من أجل فهم أكثر منهجية وشاملة للتكنولوجيا المتعلقة بدمج الطاقة الشمسية والتناضح العكسي، ستقدم NEWater التطبيقات الثلاثة للطاقة الشمسية في نظام التناضح العكسي.

2. نظام التناضح العكسي بالطاقة الشمسية

2.1 التمديد الفني

تقنية التناضح العكسي هي أكثر طرق تحلية مياه البحر شيوعًا، باستثناء طريقة التقطير. تتميز هذه التقنية بانخفاض تكلفة الاستثمار، وسهولة التشغيل، وقصر مدة الإنشاء. ومع ذلك، فإن أحد الشروط الضرورية لتشغيلها هو: تحلية مياه البحر بالتناضح العكسي هي القدرة على القيادة مضخة الضغط العاليبشكل عام، يمثل استهلاك الطاقة لمضخة الضغط العالي حوالي 30% من تكلفة تشغيل النظام، وهو أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على تكلفة تحلية مياه البحر.

يُستخدم نظام التقطير الغشائي بالطاقة الشمسية لتحلية مياه البحر، أو يُدمج مع التناضح العكسي لتحسين معدل استعادة المياه العذبة، مما يوفر الطاقة ويحافظ على البيئة، ويتماشى مع التوجه الدولي نحو ترشيد الطاقة، وخفض الانبعاثات، وخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. وهو مناسب جدًا للجزر أو الجزر ذات أنظمة الطاقة المحدودة.

2.2 المبدأ الفني.

الطاقة الشمسية طاقة خضراء لا تنضب. هي في جوهرها تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية. إنها وسيلة متطورة تُمكّن الأجسام من إصدار الإلكترونات لتوليد تيار كهربائي تحت أشعة الشمس، وذلك وفقًا لمبدأ التأثير الكهروضوئي لبعض الأجسام. يمكن لنظام تجميع الحرارة الشمسية العادي أن يصل إلى درجة الحرارة المطلوبة لعملية التقطير الغشائي.

بعد إدخال حوالي نصف موارد المياه من خلال تحلية المياه بالتناضح العكسي، الملح المتبقي لن يثري ويمنع غشاء التناضح العكسيمن خلال الجمع بين الطاقة الشمسية لتوفير الطاقة لمضخة المياه، يمكن تحلية محلول ملحي يحتوي على ضعف نسبة الملح الموجودة في مياه البحر.

المبدأ هو أن هناك فيلمًا بلاستيكيًا مساميًا في نظام تحلية مياه البحريسمح هذا الغشاء بمرور بخار الماء ويمنع دخول المواد الأخرى في الوقت نفسه. أحد جانبي الغشاء مغطى بجزيئات كربون دقيقة، تمتص حرارة أشعة الشمس وتُسهّل تبخر الماء المالح الملامس له. بعد مروره عبر الغشاء، يتكثف بخار الماء ليتحول إلى ماء عذب على الجانب الآخر.

علاوة على ذلك، يتم إدخال العدسة البلاستيكية في الفيلم، مما يجعل ضوء الشمس يتجمع بشكل أفضل ويولد المزيد من الحرارة، مما يحسن كفاءة النظام بواسطة 50%.

2.3 تكنولوجيا ومعدات التقطير الغشائي RO بالطاقة الشمسية.

التقطير الغشائي هو تقنية جديدة للتقطير أو الفصل، تجمع بين طريقة الغشاء والطريقة الحرارية. يتميز بجودة مياه عالية، وهيكل مدمج، وتصميم معياري، ومتطلبات دخول مياه أقل من التناضح العكسي، ودرجة حرارة تشغيل منخفضة (50-80 درجة مئوية)، ويمكن تشغيله بالطاقة الشمسية الجديدة، ومقاومته للتآكل وأكسدة أيونات الكلوريد والكلور الحر ومواد أخرى.

على الرغم من أن الطاقة الكهربائية المُحوّلة من الطاقة الشمسية عبر الألواح الكهروضوئية يُمكن أن تُشغّل أيضًا نظام التناضح العكسي، إلا أن معدل التحويل الكهروضوئي للألواح الكهروضوئية يتراوح فقط بين 17% و25%، بينما يُمكن أن يتجاوز معدل التحويل الضوئي الحراري لمُجمّعات الحرارة 80%. لذلك، يتميز نظام تحلية مياه البحر بالتقطير الغشائي بالطاقة الشمسية باقتصادية أكبر في تكلفة التشغيل وآفاق واعدة.

يُعدّ تقطير الأغشية متعدد التأثيرات بالتفريغ من شركة NEWater تقنية التقطير الغشائي الوحيدة في العالم التي تُطبّق تطبيقات هندسية. فبالإضافة إلى تطبيقاتها الهندسية في مجالات أحماض النفايات، والمحلول الملحي الصناعي المركز، وتركيز وتخفيض رشح مكبات النفايات، فقد قامت الشركة أيضًا بالعديد من أعمال الترويج والتحقق في مجال تحلية مياه البحر بالتقطير الغشائي بالطاقة الشمسية.

شاركت شركة NEWater في مشروع تجريبي لتحلية مياه البحر بالطاقة الشمسية في إحدى الجزر. يعتمد المشروع على دمج التناضح العكسي والتقطير الغشائي لتحسين معدل استخلاص المياه العذبة. توفر الألواح الكهروضوئية الطاقة الكهربائية لنظام الدمج، بينما يوفر المجمع الطاقة الحرارية اللازمة للتقطير الغشائي.

تستخدم معدات التقطير الغشائي NEWater البخار الناتج عن المجمع الشمسي لتشغيل مضخة التوربينات البخارية مباشرة لتوفير تدفق المياه الداخلة والضغط لوحدة التناضح العكسي.

خلال الاختبار التجريبي، كان تشغيل نظام تقطير الأغشية NEWater مستقرًا، حيث وصل متوسط التدفق إلى 4.5 لتر/متر مربع/ساعة، وكانت موصلية المياه المُنتجة أقل من 90 ميكروسيمنز/سم. يوضح الشكل 5 بيانات التشغيل المستمر لمدة 8 أيام. تُثبت نتائج الاختبار التجريبي جدوى نظام تقطير الأغشية متعدد التأثيرات الفراغي المُدار بالطاقة الشمسية NEWater لتحلية مياه البحر أو المياه قليلة الملوحة في الجزر النائية أو المناطق الجزرية.

بالطبع، يُمكن تطبيق نظام تقطير الأغشية المُدار بالطاقة الشمسية من NEWater في مجالات أخرى مناسبة لتركيب الألواح الشمسية الكهروضوئية والمُجمّعات، ولا يقتصر على تحلية مياه البحر. تلتزم NEWater دائمًا بمبدأ "الاستخدام الأمثل للبشر والأشياء"، وتُحسّن استخدام تقنية تقطير الأغشية إلى أقصى حد، وتُوظّف مزاياها على أكمل وجه.

3. تطبيق أنظمة التناضح العكسي التي تعمل بالطاقة الشمسية

3.1 جهاز تحلية المياه بالطاقة الشمسية المحمولة الجديد

في الوقت الحاضر، أصبحت تكنولوجيا تحلية مياه البحر ناضجة بشكل أساسي، وسوق تحلية مياه البحر في فترة زراعة نشطة، وتم الترويج لمعدات وتكنولوجيا تحلية المياه بقوة في السوق الدولية، ولكن لم يتم تطبيقها على نطاق واسع.

في الوقت نفسه، نظرًا لارتباط ضغط تشغيل معدات التناضح العكسي بمستوى الملوحة، يبلغ متوسط ملوحة مياه البحر 3.5%، ما يجعل ضغط التناضح العكسي مرتفعًا، ومعدل استرداد المياه العذبة منخفضًا، والطلب على الطاقة مرتفعًا نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، تعاني بيئة العمل البحرية من نقص في الطاقة. لذا، هناك حاجة ماسة إلى جهاز استرداد طاقة لحل مشكلة استهلاك الطاقة في تحلية مياه البحر على نطاق صغير.

جهاز تحلية مياه البحر الصغير هو جهاز لمعالجة مياه البحر أو المياه قليلة الملوحة وتحويلها إلى مياه عذبة ومياه شرب. يتميز بصغر حجمه وسهولة تحضيره ونقله. جهاز تحلية المياه الشمسي المحمول الجديد، الذي تدرسه شركة NEWater حاليًا، هو جهاز قادر على تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية عبر لوح شمسي خاص به وتخزينها في البطارية.

يعتمد جهاز تحلية المياه بالطاقة الشمسية، الذي صممته شركة NEWater، على ألواح شمسية كهروضوئية قابلة للطي. هذه الألواح مزودة بنظام سيرفو لتتبع الطاقة الشمسية القصوى، والذي يُمكّنها من تدويرها مع اتجاه الشمس، لضمان أعلى مستوى للطاقة الكهربائية في جميع الأوقات. تُحوّل الألواح الشمسية الكهروضوئية الطاقة الشمسية إلى تيار مستمر، وتُخزّنها في البطارية لتوفير الطاقة لمضخة التعزيز. تضخّ هذه المضخة المياه إلى جهاز تنقية المياه، ثم تُمرّر المياه النظيفة عبر سلسلة من عمليات المعالجة، مثل الترشيح والتطهير.

سير عملية NEWater وحدة تحلية مياه البحر المحمولة:

مياه البحر ← خزان المياه ← مضخة المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية ←مرشح الوسائط المتعددة→ فلتر الكربون النشط → معالج المياه العذبة → فلتر الدقة → مضخة الضغط العالي التي تعمل بالطاقة الشمسية → التناضح العكسي الأساسي → خزان المياه النقية → مضخة الضغط العالي التي تعمل بالطاقة الشمسية → التناضح العكسي الثانوي → جهاز التعقيم بالأشعة فوق البنفسجية → مياه نقية.

في هذه العملية، وبدون ضغط ماء الصنبور، تعمل مضخة المياه بواسطة مصدر طاقة البطارية لسحب مياه البحر إلى الجهاز، حيث يتم ترشيحها وتقطيرها لإزالة المواد الضارة. وفي الوقت نفسه، يمكنها تصفية مسببات الأمراض البكتيرية بفعالية، مما يُحسّن سلامة مياه الشرب بشكل فعال.

3.2 معدات غلايات المياه التي تعمل بالتناضح العكسي الشمسي

في الوقت الحالي، تعتمد مياه الغلايات المستخدمة في المستشفيات والمدارس وحمامات السباحة بشكل أساسي على الطاقة غير المتجددة، مثل الغاز والفحم. تستهلك هذه العملية برمتها الكثير من الطاقة، وهي ضارة بالبيئة، وتتمتع بمستوى منخفض من الحماية البيئية. في الوقت نفسه، تتميز مياه الغلايات التقليدية بانخفاض مستوى تنقيتها، مما يُشكل مخاطر خفية على جودة المياه. عند دمج الطاقة الشمسية والتناضح العكسي في تحضير مياه الغلايات، لن يقتصر الأمر على توفير الطاقة وتعزيز حماية البيئة فحسب، بل سيُسهم أيضًا في تنقية مياه الغلايات وضمان جودتها.

تتكون معدات غلاية المياه بالتناضح العكسي الشمسي التي أعدتها شركة NEWater بشكل أساسي من نظام المعالجة المسبقة، ومجمع الطاقة الشمسية، وخزان المياه العازل للحرارة، ومضخة المياه، ووحدة التناضح العكسي.

عملية تدفق المعدات هي المياه الخام → التسخين الشمسي إلى 30 ~ 40 درجة مئوية → مضخة المياه الخام الشمسية → الفلتر المتوسط →فلتر الكربون النشط→مرشح دقيق→مضخة عالية الضغط تعمل بالطاقة الشمسية→وحدة التناضح العكسي→ مجمع الطاقة الشمسية → خزان المياه المعزول → مخرج المياه.

3.2.1 تحليل فوائد الحفاظ على الطاقة وخفض الانبعاثات.

تحليل التكلفة.

1. أ. صيغة الطاقة اللازمة لامتصاص حرارة الماء: q=cm(tt₀حيث C هي السعة الحرارية النوعية للماء، وقيمتها 4.2×103J/kg℃. M هي كتلة الماء (كجم)؛ T هي درجة الحرارة النهائية للماء (℃)؛ T₀- درجة الحرارة الابتدائية للماء (درجة مئوية). عندما ترتفع درجة حرارة الماء من ٢٠ إلى ٣٠ درجة مئوية، تكون الحرارة الممتصة (Q)₁:س₁ = 4.2×103×5×103×8×(30-20)=1.68×109J.
2. المواصفات المقترحة لأنبوب التفريغ للمجمع الشمسي هي Φ 70×2000 مم، Q ماص للحرارة₂:س₂= 2.31×106جول.
3. عدد أنابيب المجمع الشمسي المطلوبة n: n = Q₁/ س₂= 1.68×109/2.31×106≈728.
4. وبحسب دراسة السوق، فإن سعر كل أنبوب مفرغ من الهواء يعمل بالطاقة الشمسية يبلغ حوالي 60 يوانًا، كما أن الاستثمار الأولي لمجمعات الطاقة الشمسية سيزيد بنحو 60000 يوان (بما في ذلك رسوم التثبيت).

3.2.2 تحليل توفير الطاقة.

تُسخّن الطاقة الشمسية الماء الداخل إلى الغلاية. تُظهر البيانات التجريبية أن زيادة درجة حرارة الماء الداخل تُخفّض ضغط تشغيل جهاز التناضح العكسي (من 1.8 ميجا باسكال إلى 1.2 ميجا باسكال)، مما يُقلّل استهلاكه للطاقة بحوالي 30%.

عند تشغيل جهاز التناضح العكسي وحده، يبلغ استهلاك الطاقة 4 كيلوواط/ساعة. بعد استخدام جهاز معالجة المياه بالتناضح العكسي بالطاقة الشمسية، يبلغ استهلاك الطاقة 2.8 كيلوواط/ساعة، ما يوفر 1.2 كيلوواط/ساعة.

أثناء وقت تشغيل جهاز التناضح العكسي بمساعدة الطاقة الشمسية، يمكن لجهاز التناضح العكسي توفير الطاقة في عام واحد: W₁ =1.2×220×8 = 2112 كيلو وات ساعة، أي حوالي 0.52 يوان لكل كيلو وات ساعة، ومن ثم يمكن تقليل نفقات الكهرباء في عام واحد: ن₁ = 2112×0.52 = 1098.24 يوان.

تظهر البيانات أعلاه أن معدات غلاية المياه بالتناضح العكسي الشمسي التي أعدتها NEWater يمكنها توفير الطاقة بشكل كبير وتقليل الانبعاثات، الأمر الذي يتطلب الاستجابة للعصر لحماية البيئة وتلبية احتياجات إنتاج الناس.

 

إذا كان لديك أي احتياجات أو مشاكل في عملية تحلية مياه البحر، وإنتاج أجهزة تنقية المياه، ومعالجة مياه مكياج الغلايات، وما إلى ذلك، اتصل بـ NEWater مباشرة، وسوف يقدم مهندسونا الفنيون مخطط معالجة مياه قوي فردي ودعم المعدات لنظام التناضح العكسي الشمسي، وذلك لتحقيق الحفاظ على الطاقة وحماية البيئة وخلق الماء للحياة معك!