الفكرة الأساسية :
تعتمد عملية إزالة ملوحـة الميـاه بالتجميـد علـى الحقيقة الثابتة أن بلورات الثلج المتكونة بتبريد ماء ملح تكون خالية من الملح ، مما يجعل هناك تشابها بين هذه العملية وعملية التقطير التي تنتج بخارا خاليا من الأملاح من محلول من الماء الملح.هذا التشابه يظهر فقط من ناحية خلو الناتج في كلتا العمليتين من الأملاح ولكنهما بالطبع يختلفان من الناحية العملية حيث تتم عملية التقطير عند درجة حرارة أعلى من الدرجة المحيطة بينما تتم عملية التجميد عند درجة حرارة أقل من الدرجة المحيطة . هذا الاختلاف في درجة حرارة التشغيل ، في كلتا العمليتين يؤثر على تصميم الأجهزة والمعدات الخاصة بكل عملية، إذ يراعي في تصميم عملية التقطير تقليل كمية الحرارة المفقودة من وحدة التقطير إلى الجو المحيط ، بينما يراعي في تصميم عملية إزالة الملوحة بالتجميد التقليل من كمية الحرارة المكتسبة بوحـدة التجميـد من الجـو المحيـط . وأهم عيوب إزالة ملوحة المياه بالتجميد هي المشاكل الناجمة عن نقل وتنقية الثلج ، وأهم مميزاتها التقليل من الترسب والتآكل إذ يتم التشغيل عند درجات حرارة منخفضة نسبيا .
وتعتمد عملية إزالة ملوحـة الميـاه بالتجميـد وتصميم معداتها على القواعد الأساسية المعروفة والأجهزة الخاصة بتنقية التبريد ، ولكن بعد تعديلها لتناسب إزالة ملوحة المياه بالتجميد .
وتنقسم عملية إزالــة ملوحـة الميـاه بالتجميـد إلى طريقتين :
التجميد المباشر والتجميد غير المباشر .
التجميد المباشر :
تُعرف الفكرة الأساسية لعملية التجميد المباشر والذي يعرف بعملية زارشين Zarchin process (أيضا يعرف بعملية التفريـغ والتبخير الفجائي Vacuum-flash process)). ولقد تم إجراء الكثير من التعديلات على هذه الطريقة بشركة كولت إندستريز ColtIndustries بمدينة بلـويت بولاية ويسكونسـون الأمريكية. وفي هذه العملية ، يدخل ماء البحر بعد تبريده في المبادل الحراري إلى برج التجميد (المبلور crystallizer) حيث يكـون الضغط داخل البرج ما بين 3 و 4 مم زئبق ( حوالي 0.005 ضغط جوي ) مما يسبب التبخير الفجائي لجزء من ماء البحر . وتسحب الحرارة اللازمة للتبخير من الجزء المتبقي من ماء البحر ، مما يسبب هذا الجزء ( درجة التجميد حوالي - 1,9 درجة مئوية لماء البحر النقي وحوالي 3,8 درجة مئوية لما البحر ذي التركيز ضعف التركيز العادي). وتعطى المجمدات الحديثة معدلات بلورة في حدود مـن 1 إلى 1,5 طن من الثلج لكل ساعة ولكل متر مكعب من حجم المبلور .
ومن دراسة احتياجات الطاقة الحرارية ، يتضح أن إزالة ملوحة المياه بالتجميد تحتاج إلى حوالي 80 سعرا حراريا لإنتاج كيلو جرام واحد مـن الثلج ، بينما تحتاج إزالة ملوحة المياه بالتبخير إلى حوالي 600 سعر حراري لإنتاج كيلو جرام واحد من البخار . وعليه ، فإن الحرارة المستخدمة لإنتاج كيلو جرام واحد من البخار تكفي لإنتاج 7,5 كيلو جرام من الثلج . ولكن يراعى في حالة الإعذاب بالتجميد ضرورة غسل الثلج الناتج للتخلص من الأملاح الدقيقة المصحوبة مع البلورات ، والتي قد تمثل 50 % من وزن البلورات .
وتعتبر طريقة غسل الثلج بتمريرة عكس تيار من ماء الغسيل يسري إلى اسفل , من أكفأ الطرق لغسل البلورات من الملح إذ تفقد كمية محدودة جدا من المياه العذبة أثناء عملية الغسيل . ويوجد حاليا أعمدة غسيل ذات كفاءه عالية وحجم صغير , حيث تتم عملية الغسيل في عمود ذي ضغط عال نسبيا ومغمور كليا بالسائل . ويتم سريـان كل من الماء الملح المـركز والماء العذب خلال مبادل حراري لتبريد ماء البحر مبدئيا .
التجميد غير المباشر
تستخدم هذه الطريقة مبردا ذا ضغط جزئي أعلى بكثير من الضغط الجزئي للماء حتى يمكن التغلب على العيوب الناتجة من انخفاض الضغط الجزئي للماء عند درجة التجمد ، مما يسبب انخفاض كثافة بخار الماء ، وبالتالي يزداد حجم البخار الذي يلزم إزاحته ، هذا بالإضافة إلى الحاجة إلى جهاز محكم للتفريغ . وبالطبع ، يجب أن يختار المبرد بحيث لا يكون دوابا في الـماء حتى تسهل عملية الفصل . وتتوافر هذه الصفات في مبردات مختلفة تستعمل في هذا المجال مثل البيوتان والمواد العضوية المفلورة fluorinated organics ، مثل فريون 114 . وتبلغ درجة حرارة غليان البيوتان عند الضغط الجوي – 0.5 م مما يجعلها قريبة جدا من درجة حرارة تجمد الماء . ويدخل كل من سائل البيوتان وماء التغذية إلى المجمد ، حيث الضغط أقل بقليل من الضغط الجوي ، مما يسبب غليان البيوتان بعد أن يأخذ الحرارة اللازمة للتبخير من الماء بتحويلة إلى ثلج . ويتكون 1.15 طن من الثلج بتبخير طن واحد من البيوتان ( الحرارة اللازمة لتبخير البيوتان عند درجة – 3م حوالي 91 سعر / كجم ) . ويتم غسل مزيج الثلج والماء الملح بكمية صغيرة من تيار معاكس من الماء العذب ، بينما يذهب معظم بخار البيوتان إلى الضاغط رقم 1 حيث يضغط الى ضغط أعلى من الضغط الجوي بقليل . وفي المصهر ، يتم التلامس ما بين البيوتان من الضاغط والثلج ، مما يسبب انصهار الثلج مع تكثف بخار البيوتان إلى سائل البيوتان ، ثم يتم فصل الماء عن البيوتان في المصفق decanter نتيجة لاختلاف الكثافة ( 1 و 0.6 على التوالي ) . ويتم إرجاع سائل البيوتان إلى المجمد ، بينما يخرج الماء العذب من وحدة إزالة الملوحة بعد استخدامه لتبريد ماء البحـر في مبادل حراري . وتستخدم عملية الفريون 114 طريقة الانصهار غير المباشر بدلا من الانصهار بالتلامس المباشر ( التي يستخدمها البيوتان ) مما يقلل تلوث الثلج المذاب بسائل التبريد. ويمر جزء صغير من بخار البيوتان إلى الضاغط رقم 2 حيث يضغط إلى ضغط أعلى من الضغط الناتج من الضاغط رقم 1 . ويمرر البخار الناتج من الضاغط رقم 2 الى مكثف بالمياه حيث يتكثف بخار البيوتان الى سائل ويعود الى المجمد . وتعتبر هذه الدورة الإضافية للبيوتان بمثابة التبريد المساعد اللازم لتعويض الحرارة المتسربة الى وحدة إزالة الملوحة حتى يمكن المحافظة على درجات حرارة باردة متواصلة .
تطهير المياه
عملية تطهير المياه تعني قتل أو إزالة الجراثيم الضارة من السائل المعالج وتختلف عملية التطهير عن التعقيـم إذ يتـم في الأخيرة قتل جميع الكائنات الدقيقة بما فيها الأنواع الضارة والمسببة للأمراض . يتم تطهير المياه أو السائل النهائي من الفضلات السائلة بإضافة مادة مطهرة لأحد الأسباب التالية :
1. قتل الجراثيم الضارة بالصحة العامة .
2. إزالــة الأمونيــا .
3. أكسدة المـواد غيـر العضويـة مثل كبريتيـد الهايدروجيـن ، والحديد Fe++ والمنجنيز Mn++ لتسهيل إزالتها .
تطوير تقنية التبخير المتعدد المراحل MSF
طرق تحلية المياه متعددة وأصبحت معروفة لدي أغلب المختصين وهناك تقنيات للتحلية كانت متقدمة في وقت مضى وأصبحت في الخلف وايضاً هناك تقنيات سابقاً كانت متأخرة ثم أصبحت الآن في مجال المنافسة ، بل بعضها وفي أماكن مختلفة من العالم سبقت مثيلاتها ، والسبب يعود إلى الجهود التطويرية للمختصين وكل حسب استخدامه لتقنية معينة .
فعلي سبيل المثال كانت عملية التحلية بالتناضح العكسي RO تقتصر على مياه الآبار فقط ومع استمرارية تطوير الأغشية المتسخدمة أصبحت تستخدم بتحلية مياه البحر بل وأصبحت الآن منافسة وتفوقت على الطرق الحرارية اقتصادياً إذا ما وجدت بجانب بحار ذات مياه غير متقلبة الأحوال كمياه الخليج العربي .
المثال الآخر هو التحلية الحرارية ذات التأثير المتعدد MED هذه التقنية كانت أول الطرق الحرارية لتحلية المياه المالحة لما لها من تماثل طبيعي لعملية الأمطار التي أوجدها الله ولكن ظهرت مشاكل تكون الترسبات على أسطح أنابيب التبادل الحراري مما جعلها تتأخر وحل محلها التبخير المتعدد المراحل ولكن لم يتوقف العلم وتم تحديد درجات الحرارة لمنع الترسب وتطوير كفاءة التبادل الحراري فاستطاعت الآن بالذات أن تصبح منافسة اقتصادياً لتحلية المياه ذات المرحلة المتعددة MSF .
تقنيات التحلية قديمة حديثة
يتواجد في العالم حاليا حوالي 000 13 منشأة من منشاءات تحلية مياه البحر، يستغل معظمها ظاهرة التبخر للحصول على المياه الزلال.
وتتلخص عملية التحلية هذه، بضخ كميات من مياه البحر وتسخينها كي تتحول إلى بخار، يتم تجميعه وتبريده لتحويله إلى ماء عذب صالح للشرب والري. وبالتوازي مع عملية التحلية هذه، يتم استغلال حرارة البخار لتشغيل طوربينات المولدات للتيار الكهربائي.
إلا أن ما يقرب من %40 من منشاءات تحلية مياه البحر في العالم يعتمد على ظاهرة الارتشاح الغشايئي، وهي الظاهرة التي تستغلها الوكالة الفضائية الأمريكية "ناسا" لضمان لتوفير المياه الصالحة لرواد الفضاء.
وتعتمد هذه التقنيات الأخيرة على اندفاع خراطيم المياه المضغوطة بقوة شديدة عبر نظام من المرشحات التي تلتقط الأملاح والقاذورات ولا تمرر إلا الماء الزلال. وهذه التقنيات لا تحول أيضا دون توليد التيار الكهربائي باستخدام القوة الكامنة في تيار المياه المندفعة بشدة لتشغيل المولدات الكهربائية.
لكن الأهم من ذلك هو أن تقنيات تحلية مياه البحر قد عرفت تطورات ملحوظة هامة، بطريقة تسمح في هذه الأثناء بخفض معدل الطاقة الضرورية لتحويل المتر المكعب من المياه إلى بخار، من 700 كيلوواط ساعة إلى 100 كيلوواط ساعة فقط.
وبفضل هذا التقدم تراجعت تكاليف معالجة مياه البحر إلى مستوى معقول نسبيا بالمقارنة مع تكاليف مياه الينابيع الصافية، شريطة أن تقتصر أنابيب نقل مياه منشاءات التحلية على مسافات معيّنة.
تعتمد عملية إزالة ملوحـة الميـاه بالتجميـد علـى الحقيقة الثابتة أن بلورات الثلج المتكونة بتبريد ماء ملح تكون خالية من الملح ، مما يجعل هناك تشابها بين هذه العملية وعملية التقطير التي تنتج بخارا خاليا من الأملاح من محلول من الماء الملح.هذا التشابه يظهر فقط من ناحية خلو الناتج في كلتا العمليتين من الأملاح ولكنهما بالطبع يختلفان من الناحية العملية حيث تتم عملية التقطير عند درجة حرارة أعلى من الدرجة المحيطة بينما تتم عملية التجميد عند درجة حرارة أقل من الدرجة المحيطة . هذا الاختلاف في درجة حرارة التشغيل ، في كلتا العمليتين يؤثر على تصميم الأجهزة والمعدات الخاصة بكل عملية، إذ يراعي في تصميم عملية التقطير تقليل كمية الحرارة المفقودة من وحدة التقطير إلى الجو المحيط ، بينما يراعي في تصميم عملية إزالة الملوحة بالتجميد التقليل من كمية الحرارة المكتسبة بوحـدة التجميـد من الجـو المحيـط . وأهم عيوب إزالة ملوحة المياه بالتجميد هي المشاكل الناجمة عن نقل وتنقية الثلج ، وأهم مميزاتها التقليل من الترسب والتآكل إذ يتم التشغيل عند درجات حرارة منخفضة نسبيا .
وتعتمد عملية إزالة ملوحـة الميـاه بالتجميـد وتصميم معداتها على القواعد الأساسية المعروفة والأجهزة الخاصة بتنقية التبريد ، ولكن بعد تعديلها لتناسب إزالة ملوحة المياه بالتجميد .
وتنقسم عملية إزالــة ملوحـة الميـاه بالتجميـد إلى طريقتين :
التجميد المباشر والتجميد غير المباشر .
التجميد المباشر :
تُعرف الفكرة الأساسية لعملية التجميد المباشر والذي يعرف بعملية زارشين Zarchin process (أيضا يعرف بعملية التفريـغ والتبخير الفجائي Vacuum-flash process)). ولقد تم إجراء الكثير من التعديلات على هذه الطريقة بشركة كولت إندستريز ColtIndustries بمدينة بلـويت بولاية ويسكونسـون الأمريكية. وفي هذه العملية ، يدخل ماء البحر بعد تبريده في المبادل الحراري إلى برج التجميد (المبلور crystallizer) حيث يكـون الضغط داخل البرج ما بين 3 و 4 مم زئبق ( حوالي 0.005 ضغط جوي ) مما يسبب التبخير الفجائي لجزء من ماء البحر . وتسحب الحرارة اللازمة للتبخير من الجزء المتبقي من ماء البحر ، مما يسبب هذا الجزء ( درجة التجميد حوالي - 1,9 درجة مئوية لماء البحر النقي وحوالي 3,8 درجة مئوية لما البحر ذي التركيز ضعف التركيز العادي). وتعطى المجمدات الحديثة معدلات بلورة في حدود مـن 1 إلى 1,5 طن من الثلج لكل ساعة ولكل متر مكعب من حجم المبلور .
ومن دراسة احتياجات الطاقة الحرارية ، يتضح أن إزالة ملوحة المياه بالتجميد تحتاج إلى حوالي 80 سعرا حراريا لإنتاج كيلو جرام واحد مـن الثلج ، بينما تحتاج إزالة ملوحة المياه بالتبخير إلى حوالي 600 سعر حراري لإنتاج كيلو جرام واحد من البخار . وعليه ، فإن الحرارة المستخدمة لإنتاج كيلو جرام واحد من البخار تكفي لإنتاج 7,5 كيلو جرام من الثلج . ولكن يراعى في حالة الإعذاب بالتجميد ضرورة غسل الثلج الناتج للتخلص من الأملاح الدقيقة المصحوبة مع البلورات ، والتي قد تمثل 50 % من وزن البلورات .
وتعتبر طريقة غسل الثلج بتمريرة عكس تيار من ماء الغسيل يسري إلى اسفل , من أكفأ الطرق لغسل البلورات من الملح إذ تفقد كمية محدودة جدا من المياه العذبة أثناء عملية الغسيل . ويوجد حاليا أعمدة غسيل ذات كفاءه عالية وحجم صغير , حيث تتم عملية الغسيل في عمود ذي ضغط عال نسبيا ومغمور كليا بالسائل . ويتم سريـان كل من الماء الملح المـركز والماء العذب خلال مبادل حراري لتبريد ماء البحر مبدئيا .
التجميد غير المباشر
تستخدم هذه الطريقة مبردا ذا ضغط جزئي أعلى بكثير من الضغط الجزئي للماء حتى يمكن التغلب على العيوب الناتجة من انخفاض الضغط الجزئي للماء عند درجة التجمد ، مما يسبب انخفاض كثافة بخار الماء ، وبالتالي يزداد حجم البخار الذي يلزم إزاحته ، هذا بالإضافة إلى الحاجة إلى جهاز محكم للتفريغ . وبالطبع ، يجب أن يختار المبرد بحيث لا يكون دوابا في الـماء حتى تسهل عملية الفصل . وتتوافر هذه الصفات في مبردات مختلفة تستعمل في هذا المجال مثل البيوتان والمواد العضوية المفلورة fluorinated organics ، مثل فريون 114 . وتبلغ درجة حرارة غليان البيوتان عند الضغط الجوي – 0.5 م مما يجعلها قريبة جدا من درجة حرارة تجمد الماء . ويدخل كل من سائل البيوتان وماء التغذية إلى المجمد ، حيث الضغط أقل بقليل من الضغط الجوي ، مما يسبب غليان البيوتان بعد أن يأخذ الحرارة اللازمة للتبخير من الماء بتحويلة إلى ثلج . ويتكون 1.15 طن من الثلج بتبخير طن واحد من البيوتان ( الحرارة اللازمة لتبخير البيوتان عند درجة – 3م حوالي 91 سعر / كجم ) . ويتم غسل مزيج الثلج والماء الملح بكمية صغيرة من تيار معاكس من الماء العذب ، بينما يذهب معظم بخار البيوتان إلى الضاغط رقم 1 حيث يضغط الى ضغط أعلى من الضغط الجوي بقليل . وفي المصهر ، يتم التلامس ما بين البيوتان من الضاغط والثلج ، مما يسبب انصهار الثلج مع تكثف بخار البيوتان إلى سائل البيوتان ، ثم يتم فصل الماء عن البيوتان في المصفق decanter نتيجة لاختلاف الكثافة ( 1 و 0.6 على التوالي ) . ويتم إرجاع سائل البيوتان إلى المجمد ، بينما يخرج الماء العذب من وحدة إزالة الملوحة بعد استخدامه لتبريد ماء البحـر في مبادل حراري . وتستخدم عملية الفريون 114 طريقة الانصهار غير المباشر بدلا من الانصهار بالتلامس المباشر ( التي يستخدمها البيوتان ) مما يقلل تلوث الثلج المذاب بسائل التبريد. ويمر جزء صغير من بخار البيوتان إلى الضاغط رقم 2 حيث يضغط إلى ضغط أعلى من الضغط الناتج من الضاغط رقم 1 . ويمرر البخار الناتج من الضاغط رقم 2 الى مكثف بالمياه حيث يتكثف بخار البيوتان الى سائل ويعود الى المجمد . وتعتبر هذه الدورة الإضافية للبيوتان بمثابة التبريد المساعد اللازم لتعويض الحرارة المتسربة الى وحدة إزالة الملوحة حتى يمكن المحافظة على درجات حرارة باردة متواصلة .
تطهير المياه
عملية تطهير المياه تعني قتل أو إزالة الجراثيم الضارة من السائل المعالج وتختلف عملية التطهير عن التعقيـم إذ يتـم في الأخيرة قتل جميع الكائنات الدقيقة بما فيها الأنواع الضارة والمسببة للأمراض . يتم تطهير المياه أو السائل النهائي من الفضلات السائلة بإضافة مادة مطهرة لأحد الأسباب التالية :
1. قتل الجراثيم الضارة بالصحة العامة .
2. إزالــة الأمونيــا .
3. أكسدة المـواد غيـر العضويـة مثل كبريتيـد الهايدروجيـن ، والحديد Fe++ والمنجنيز Mn++ لتسهيل إزالتها .
تطوير تقنية التبخير المتعدد المراحل MSF
طرق تحلية المياه متعددة وأصبحت معروفة لدي أغلب المختصين وهناك تقنيات للتحلية كانت متقدمة في وقت مضى وأصبحت في الخلف وايضاً هناك تقنيات سابقاً كانت متأخرة ثم أصبحت الآن في مجال المنافسة ، بل بعضها وفي أماكن مختلفة من العالم سبقت مثيلاتها ، والسبب يعود إلى الجهود التطويرية للمختصين وكل حسب استخدامه لتقنية معينة .
فعلي سبيل المثال كانت عملية التحلية بالتناضح العكسي RO تقتصر على مياه الآبار فقط ومع استمرارية تطوير الأغشية المتسخدمة أصبحت تستخدم بتحلية مياه البحر بل وأصبحت الآن منافسة وتفوقت على الطرق الحرارية اقتصادياً إذا ما وجدت بجانب بحار ذات مياه غير متقلبة الأحوال كمياه الخليج العربي .
المثال الآخر هو التحلية الحرارية ذات التأثير المتعدد MED هذه التقنية كانت أول الطرق الحرارية لتحلية المياه المالحة لما لها من تماثل طبيعي لعملية الأمطار التي أوجدها الله ولكن ظهرت مشاكل تكون الترسبات على أسطح أنابيب التبادل الحراري مما جعلها تتأخر وحل محلها التبخير المتعدد المراحل ولكن لم يتوقف العلم وتم تحديد درجات الحرارة لمنع الترسب وتطوير كفاءة التبادل الحراري فاستطاعت الآن بالذات أن تصبح منافسة اقتصادياً لتحلية المياه ذات المرحلة المتعددة MSF .
تقنيات التحلية قديمة حديثة
يتواجد في العالم حاليا حوالي 000 13 منشأة من منشاءات تحلية مياه البحر، يستغل معظمها ظاهرة التبخر للحصول على المياه الزلال.
وتتلخص عملية التحلية هذه، بضخ كميات من مياه البحر وتسخينها كي تتحول إلى بخار، يتم تجميعه وتبريده لتحويله إلى ماء عذب صالح للشرب والري. وبالتوازي مع عملية التحلية هذه، يتم استغلال حرارة البخار لتشغيل طوربينات المولدات للتيار الكهربائي.
إلا أن ما يقرب من %40 من منشاءات تحلية مياه البحر في العالم يعتمد على ظاهرة الارتشاح الغشايئي، وهي الظاهرة التي تستغلها الوكالة الفضائية الأمريكية "ناسا" لضمان لتوفير المياه الصالحة لرواد الفضاء.
وتعتمد هذه التقنيات الأخيرة على اندفاع خراطيم المياه المضغوطة بقوة شديدة عبر نظام من المرشحات التي تلتقط الأملاح والقاذورات ولا تمرر إلا الماء الزلال. وهذه التقنيات لا تحول أيضا دون توليد التيار الكهربائي باستخدام القوة الكامنة في تيار المياه المندفعة بشدة لتشغيل المولدات الكهربائية.
لكن الأهم من ذلك هو أن تقنيات تحلية مياه البحر قد عرفت تطورات ملحوظة هامة، بطريقة تسمح في هذه الأثناء بخفض معدل الطاقة الضرورية لتحويل المتر المكعب من المياه إلى بخار، من 700 كيلوواط ساعة إلى 100 كيلوواط ساعة فقط.
وبفضل هذا التقدم تراجعت تكاليف معالجة مياه البحر إلى مستوى معقول نسبيا بالمقارنة مع تكاليف مياه الينابيع الصافية، شريطة أن تقتصر أنابيب نقل مياه منشاءات التحلية على مسافات معيّنة.
