آب نمک‌زدایی شده حاصل از آب دریا شاهرگ حیاتی عربستان سعودی است و دانشگاه علم و فناوری ملک عبدالله، مرکز پژوهشی بین‌المللی که حدود یک دهه پیش از دل کویر خشک و خالی سربرآورد، این موضوع را به‌خوبی می‌داند.

آب شیرینی که از آب‌های دریای سرخ که با فشار از غشاهای جداکننده‌ی نمک می‌گذرد، حاصل شده است، آب ساختمان‌ آزمایشگاه، فروشگاه‌ها، رستوران‌ها و خانه‌های اطراف را تأمین می‌کند. این آب درختان نخلی را که در اطراف خیابان‌ها قد برافراشته‌اند و نیز زمین چمن استادیوم ورزشی ۵ هزار نفری را سیراب می‌کند. حتی استخرهای شنا نیز با صدها هزار گالن از این آب پر می‌شوند. این کارخانه‌ی نمک‌زدایی آب، تمام آب شیرین دانشگاه را تأمین می‌کند. این مقدار آب حدود ۵ میلیون گالن در روز است. البته این حجم از آب فقط بخش کوچکی از کل تولید عربستان سعودی است. فراتر از دیوارها و نگهبانی دانشگاه، آب نمک‌زدایی شده حدود نیمی از منایع آب شیرین این کشور ۳۳ میلیون نفری را که یکی از بی‌آب‌ترین مناطق روی زمین است، تأمین می‌کند.

کارخانه‌ی اصلی آب شیرین‌کن دانشگاه علم و فناوری ملک عبدالله در ثول عربستان سعودی

در سرتاسر جهان، نمک‌زدایی از آب به‌عنوان راه‌حلی برای حل مشکل کیفیت و کمیت آب که با رشد جمعیت، گرمای شدید و دوره‌های خشکسالی ناشی از تغییرات اقلیمی تشدید شده است، مورد توجه قرار گرفته است. منظور قدیر، دانشمند علوم زیست محیطی و همکار برنامه‌ی توسعه‌ی آب و انسان در دانشگاه دانشگاه سازمان ملل می‌گوید:

این راه‌حل جزئی برای حل مشکل کمبود آب است. این صنعت در حال رشد است. طی پنج تا ده سال آینده شاهد ساخت کارخانه‌های آب شیرین کن بیشتری خواهید بود.

عربستان سعودی و دیگر کشورهای خاورمیانه و شمال آفریقا در مرکز این توسعه قرار دارند و پروژه‌های بزرگ نمک‌زدایی از آب در این منطقه ساخته‌شده یا قرار است ساخته شود. منابع آب تجدیدپذیر در اکثر این کشورها در حال حاضر بسیار پایین‌تر از تعریف سازمان ملل در خصوص کمبود مطلق آب است (۳۵۰ گالن به ازای فرد در روز) و گزارشی که در سال ۲۰۱۷ از سوی بانک جهانی منتشر شد، حاکی از آن بود که تغییرات اقلیمی بزرگ‌ترین عامل مؤثر روی فشار بر ذخایر آب در آینده است. دکتر قدیر گفت:

با‌این‌حال، این سؤال باقی است که نمک‌زدایی در کدام یک از مناطق دیگر رشد خواهد کرد. در این رابطه، در کشورهای کم‌درآمد تقریبا هیچ کاری در حال انجام نیست.

علت اصلی، هزینه است. نمک‌زدایی از آب بسیار پرهزینه است زیرا نیاز به انرژی زیادی دارد. در راستای حل این مسئله، پژوهشگرانی در سرتاسر جهان درحال مطالعه‌ی نحوه‌ی بهبود فرایندهای نمک‌زدایی و ابداع غشاهای موثرتر و بادوام‌تر برای تولید آب بیشتر به ازای هر واحد انرژی و توسعه‌ی روش‌های بهتر برای برخورد با شورابه‌ی بسیار غلیظی که پس از این فرایند بر جای می‌ماند، هستند.

پمپ‌های فشار آب برقی و لوله‌های غشایی اسمز معکوس در کارخانه‌ی آب شیرین‌کن ساواکو در جده عربستان سعودی

غشاهای مورد استفاده در فرایند اسمز معکوس که نمک را از آب جدا می‌کند

در این منطقه از جده لوله‌ی توزیع آبی وجود ندارد، بنابراین آب نمک‌زدایی شده به‌وسیله‌ی کامیون توزیع می‌شود

در حال حاضر، نمک‌زدایی عمدتا محدود به کشورهای مرفه است، به‌ویژه کشورهایی که به سوخت‌های فسیلی فراوان و آب دریا دسترسی دارند (اگرچه آب شور روی خشکی نیز می‌تواند نمک‌زدایی شود). علاوه‌بر خاورمیانه و شمال آفریقا، صنعت نمک‌زدایی از آب دچار مشکل آب در کشور آمریکا خصوصا در ایالت کالیفرنیا و دیگر کشورها نظیر اسپانیا، استرالیا و چین نیز در حال توسعه است.

نمک‌زدایی هزینه‌های زیست‌محیطی نیز به‌همراه دارد: نخست انتشار گازهای گلخانه‌ای که در اثر استفاده از سوخت‌های فسیلی ایجاد می‌شود و دوم، شورابه‌ی باقی مانده‌ای که علاوه بر اینکه بسیار شور است، حاوی مواد شیمیایی سمی است. با اینکه منبع عظیمی از آب دریا در دسترس است، آب نمک‌زدایی شده حدود یک درصد از کل آب شیرین جهان را تشکیل می‌دهد. حتی در عربستان سعودی نیز که در آن ذخایر عظیم نفت (و ثروت حاصل از آن) موجب شده است، این کشور به رهبر جهانی در زمینه‌ی نمک‌زدایی از آب تبدیل شود و حدود یک‌پنجم از کل تولید جهان را دارا است، این موضوع درک شده است که این فرایند باید مقرون‌به‌صرفه‌تر و پایدارتر شود. پژوهشگران دانشگاه مذکور که در جهان با عنوان دانشگاه کاست (Kaust) شناخته می‌شود، درحال تلاش برای دستیابی به این هدف هستند. نوالدین غفور، پژوهشگر مرکز نمک‌زدایی و استفاده‌ی مجدد از آب این دانشگاه می‌گوید:

ما در تلاشیم تا فرایندهای جدیدی را توسعه دهیم که انرژی کمتری مصرف کرده و ازنظر زیست‌محیطی سالم‌تر باشد.

تصفیه و استفاده‌ی مجدد از آب فاضلاب می‌تواند به کاهش فشار اعمال شده روی منابع آب کمک کند. پائول بویس که نقش واسطه را بین پژوهشگران و صنعت برعهده دارد، می‌گوید:

هرجا تاسسیات نمک‌زدایی برپا کنید، باید مجددا از آب استفاده کنید.

زمین گلف دانشگاه کاست، تنها فضای سبزی است که با آب نمک‌زدایی شده آبیاری نمی‌شود و با استفاده از فاصلاب تصفیه‌شده نگه‌داری می‌شود

چمن‌های استادیوم ورزشی دانشگاه کاست، آب‌پاش‌ها از آب نمک‌زدایی شده استفاده می‌کنند

استخری در مجاورت دریای سرخ

در خارج از کارخانه‌ی اصلی نمک‌زدایی کاست که از تکنولوژی اسمز معکوس استفاده می‌کند، چهار مخزن عظیم پر از فیلتر شن، ناخالصی‌های آبی را که با لوله به آنجا متقل می‌شود، می‌گیرند. در داخل، پمپ‌ها سروصدای زیادی تولید می‌کنند، زیرا آب با فشاری معادل ۷۰ برابر فشار اتمسفر به صدها لوله‌ی فولادی وارد می‌شود. منافد میکروسکوپی موجود در غشاها به مولکول‌های آب اجازه‌ی عبور می‌دهد ولی نمک و بیشتر ناخالصی‌ها برجای می‌مانند. آب شیرین از انتهای هر لوله خارج می‌شود.

در سرتاسر جهان، تقریبا در تمام کارخانه‌های نمک‌زدایی جدید از روش اسمز معکوس استفاده می‌شود که نیم قرن پیش ارائه شد. طی چندین دهه، مهندسان این فرایند را ازطریق توسعه‌ی کارخانه‌های بزرگ‌تر و غشاهای بهتر و روش‌های بازیابی انرژی، پربازده‌تر کرده و به‌طور قابل‌توجهی هزینه‌ها را کاهش داده‌اند. بویس می‌گوید:

معرفی غشاها در صنعت نمک‌زدایی بسیار تحول‌‌آفرین بود. با این حال، رسیدن به حداکثر ظرفیت روزانه‌ی حدود یک میلیون متر مکعب یا ۲۵۰ میلیون گالن در روز در بزرگ‌ترین کارخانه‌ها، از دهه‌ی ۱۹۷۰ تاکنون طول کشیده است. این کار بزرگی است اما ساخت هر مرحله از کارخانه‌ای که ده برابر بزرگ‌تر باشد، ۱۵ تا ۲۰ سال طول می‌کشد.

علاوه‌بر این‌ها، محدودیت‌های ترمودینامیکی نیز در ارتباط با میزان بازده ساخت کارخانه‌ها وجود دارد. کارخانه‌های غشایی از برق زیادی استفاده می‌کنند، عمدتا برای پمپ‌ها، اما این انرژی می‌تواند از هر منبع انرژی شامل انرژی‌های خورشیدی، بادی یا دیگر اشکال انرژی‌های تجدیدپذیر تأمین شود. دولت عربستان متعهد شده است که به‌عنوان بخشی از برنامه‌ی خود برای کاهش وابستگی به نفت و متنوع‌سازی اقتصاد، تا سال ۲۰۳۰، صنعت انرژی تجدیدپذیر خود را گسترش دهد. اما این طرح که به‌شدت وابسته به سرمایه‌گذاری‌های خارجی است، به‌دنبال واکنش شدید جامعه‌ی بین‌المللی نسبت‌به ترور جمال خاشقجی مورد تردید قرار گرفته است. جمال خاشقجی نویسنده‌ی عربستانی منتقدی بود که سال گذشته ترور شد.

فیلترهای شن در کارخانه‌ی اصلی. آب دریا ازطریق این لوله‌ها به مخازن پر از شن وارد می‌شود، شن‌ها ناخالصی‌های آب را که می‌توانند غشاهای اسمز معکوس را تخریب کنند، تصفیه می‌کنند

لابی بخش علوم و مهندسی فیزیکی. آب موجود در استخر نمک‌زدایی شده است

سیلوهای آهک خارج از تأسیسات کاست که مواد شیمیایی مورد استفاده برای مرحله‌ی تصفیه‌ی آب پس از نمک‌زدایی را نگه‌داری می‌کنند

تلاش برای ترکیب انرژی‌های تجدیدپذیر و نمک‌زدایی هنوز در مراحل اولیه است. یک مسئله، ماهیت متناوب اکثر انواع انرژی‌های تجدیدپذیر است؛ کارخانه‌ی نمک‌زدایی هنگامی که بادی وجود نداشته باشد یا در هنگام شب که نور خوشیدی وجود ندارد، نیاز به منابع سنتی انرژی دارد. توماس آلتمن، معاون رئیس فناوری ACWA Power که کارخانه‌های نمک‌زدایی را در سرتاسر جهان توسعه داده و اجرا می‌کند، می‌گوید کارخانه‌هایی که بتوانند در تمام ۲۴ ساعت شبانه‌روز با انرژی تجدیدپذیر کار کنند، هنوز یک هدف هستند.

بااین‌حال عربستان و دیگر کشورها کارخانه‌های نمک‌زدایی زیادی دارند که از فناوری‌های حرارتی قدیمی‌تری استفاده می‌کنند که به‌طور کامل متکی بر سوخت‌های فسیلی است. این کارخانه‌ها آب دریا را می‌جوشانند و بخار حاصل را متراکم می‌کنند و به این ترتیب، آب شیرین حاصل می‌شود. این کارخانه‌ها معمولا در مجاورت نیروگاه‌های انرژی سوزاننده‌ی سوخت‌های فسیلی ساخته شده‌اند و از گرمای اضافی حاصل از تولید برق برای تبدیل آب دریا به بخار استفاده می‌کنند. آن‌ها از انرژی بسیار زیادی استفاده می‌کنند. وزیر آب و برق کشور عربستان در سال ۲۰۰۹ تخمین زد که یک‌چهارم از تمام نفت و گاز تولیدی در این کشور برای تولید برق و آب شیرین مورد استفاده قرار گرفته است. در حال حاضر، تولید یک گالن آب شیرین از نیروگاه‌های حرارتی گران‌تر از تولید یک گالن آب شیرین در کارخانه‌های غشایی است اما از آن‌جایی که کارخانه‌های حرارتی حداقل نیم قرن قدمت دارند، پژوهشگران کاست در حال کار برای افزایش بازده آن‌ها هستند. در یک کارخانه‌ی آزمایشی کوچک در یکی از ساختمان‌های پژوهشی، از انرژی خورشیدی برای گرم کردن مستقیم آب استفاده می‌شود. در این پروژه که اجرای آن را محمد وکیل شهزاد برعهده دارد، به‌طور موثری نسبت‌به یک طرح حرارتی معمولی، آب شیرین بیشتری تولید می‌شود. دکتر شهزاد و همکارانش درحال طراحی نسخه‌ای بزرگ‌تر از این سیستم برای کارخانه‌ی نمک‌زدایی فعلی دریای سرخ هستند.

کارخانه‌ی آزمایشی کوچکی که از انرژی خورشیدی برای گرم کردن آب مورد استفاده برای نمک‌زدایی استفاده می‌کند

تأسیسات پروژه‌ی آزمایشی نمک‌زدایی از آب که در آن از انرژی خورشیدی استفاده می‌شود

محوطه‌ی پارکینگ کارخانه‌ی نمک‌زدایی دانشگاه کاست. در برج‌های خنک‌کننده نیز از آب نمک‌زدایی استفاده می‌شود

صرف‌نظر از روش مورد استفاده، یکی از ضایعات تمام این کارخانه‌ها، شورابه‌ی بسیار غلیظ است. قدیر نویسنده‌ی مقاله‌ای است که نشان می‌دهد حجم شورابه‌ی تولیدشده بیشتر از برآوردهای صنعت است و به‌طور متوسط برای تولید هر گالن آب شیرین، یک گالن و نیم شورابه تولید می‌شود. رایج‌ترین روش فعلی برخورد با این شورابه‌ها، برگرداندن آب شور به دریا است. اما آب بسیار شور به علف‌های دریایی و لارو ماهی‌ها آسیب رسانده و نیز می‌تواند لایه‌های تهی از اکسیژنی را در آب ایجاد کند که موجب آسیب رساندن یا مرگ دیگر موجودات دریایی می‌شود. کارشناسان این صنعت چنین استدلال می‌کنند که با قرار دادن لوله‌های خروجی در موقعیت مناسب و تجهیز آن‌ها با آب پخش‌کن و دستگاه‌های دیگر برای رقیق کردن سریع آب‌نمک می‌تواند از بسیاری از این مشکلات اجتناب کرد.

رویکرد دیگر آن است که به‌جای دور ریختن شورابه، از آن استفاده کرد. نیکلای وتچکوف مشاور فنی شرکت Saline Water Conversion Corp که بزرگ‌ترین تولیدکننده‌ی آب نمک‌زدایی شده در جهان است و سه‌چهارم از تولید آب شیرین عربستان سعودی را برعهده دارد، می‌گوید:

ما متعقدیم که تنها کاری که با شورابه می‌توان انجام دارد، دور ریختن آن نیست. این کاری است که در حال حاضر ما آن را انجام می‌دهیم اما این ماده درواقع منبع ارزشمندی از مواد معدنی است.

دانشمندانی در پژوهشکده‌ی این شرکت که در ساحل خلیج‌فارس مستقر شده است، درحال مطالعه‌ی راه‌هایی برای استخراج برخی از این مواد معدنی هستند. اهداف اصلی، کلسیم و منیزیم است که به‌طور طبیعی در آب دریا وجود دارند و طی فرایند نمک‌زدایی در شورابه باقی می‌مانند. به دلایل سلامتی و نیز برای کاهش خوردگی لوله‌های توزیع، مواد معدنی باید به آب نمک‌زدایی شده اضافه شود. روش فعلی انجام این کار خرید آن‌ها از جای دیگر است. اما چرا به‌جای خرید این مواد معدنی، آن‌ها را از شورابه استخراج نکنیم. وتچکوف می‌گوید:

هدف ما این است که مواد معدنی مورد نیاز برای افزودن به آب را از خود آب استخراج کنیم.

جاده‌ای از میان بخش توسعه نیافته‌ی کاست که یک دیوار امنیتی در اطراف آن قرار دارد